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腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性
8页1、腰椎间盘疲劳损伤的生物力学特性摘要:背景:腰椎间盘突出症在临床上十分常见,其病理根底是腰椎间盘退变。长期力学负荷被认为是导致腰椎间盘突出的重要原因,由于腰椎间盘突出的发生与其力学状态有着密切关摘要:背景:腰椎间盘突出症在临床上十分常见,其病理根底是腰椎间盘退变。长期力学负荷被认为是导致腰椎间盘突出的重要原因,由于腰椎间盘突出的发生与其力学状态有着密切关系,因此有必要深入研究腰椎间盘内的应力、应变行为,从而为预防腰椎间盘突出提出启示。目的:探讨疲劳损伤对于腰椎间盘整体及其内部不同区域力学性能变化规律的影响。方法:使用刚宰杀的羊腰椎间盘,将其处理后取L1-L2,L3-L4,L5-L6运动节段制作实验样本。通过上下椎骨将实验样本固定在实验平台上,进行准静态压缩-循环加载压缩-准静态压缩实验。取L3-L4运动节段平行于矢状面切开,使用非接触式数字图像相关技术记录准静态压缩过程中腰椎间盘的内部形变。结果与结论:研究结果说明,所有腰椎间盘均呈现非线性的载荷-位移、应力-应变特性曲线;疲劳载荷的影响:疲劳加载之后,腰椎间盘的杨氏模量明显增加;节段变化的影响:腰椎间盘杨氏模量随着节段变化而变化,且呈现
2、如下变化规律:L5-L6本文源自中国组织工程研究,2022,25(03):339-343.?中国组织工程研究?杂志,于1997年经国家新闻出版总署批准正式创刊,CN:21-1581/R,本刊在国内外有广泛的覆盖面,题材新颖,信息量大、时效性强的特点,其中主要栏目有:硬组织工程及植入物研究 、组织工程实验造模、方法及技术研究等。腰椎间盘突出症在临床上十分常见,其病理根底是腰椎间盘退变1,2。腰椎间盘是脊柱中一种结构复杂的承重组织,具有保持整个脊柱高度、分散载荷、连接上下椎体、传递和缓冲载荷等作用,完成上述功能时腰椎间盘也易受损伤或较早产生退行性病变3。腰椎间盘突出是髓核从有缺陷的纤维环中突出出来,突出组织不停地挤压脊神经导致下腰痛4。长期力学负荷被认为是导致腰椎间盘突出的重要原因,由于腰椎间盘突出症的发生与其力学状态有着密切关系,因此有必要深入研究腰椎间盘内的应力/应变行为,从而为预防腰椎间盘突出提出启示5。疲劳是材料受到一定强度循环加载后的典型行为,以显微裂纹的出现为标志,作为重要承载器官的腰椎间盘也不例外6,7。腰椎间盘疲劳损伤是基于脊柱活动时腰椎间盘载荷的微小损伤,但每次损伤均不构
3、成患者自觉病症,长期微小损伤的累积最终会因为一个小的诱因而导致严重的腰椎疾病8。腰椎间盘的疲劳损伤在运发动长跑、部队新兵训练以及老年人活动中较为常见,临床很多看似突然过大负荷造成的腰椎间盘突出患者,实际上的病机是疲劳损伤9,10。一些学者使用动物模型进行了体外实验,研究疲劳损伤对于腰椎间盘力学性能的影响。例如,SCHOLLUM等11使用绵羊腰椎间盘进行实验,在0.5Hz下进行周期性加载,探讨低频循环载荷下前屈的腰椎间盘运动节段中的微观结构损伤。BERGER-ROSCHER等12使用新开发的动态六自由度腰椎间盘加载模拟器进行循环测试。目前研究大多观察到了疲劳损伤的宏观证据,而对于这种破坏性载荷条件下纤维环组织水平的应力和应变知之甚少。数字图像相关技术(digitalimagecorrelation,DIC)基于变形前后图像之间的相关性实现试件外表位移的测量,经计算可得到位移场、应变场,适用于生物软、硬组织材料的力学性能测试。GAO等7将纳米氧化铁颗粒作为示踪剂并均匀涂抹于软骨试样外表,在此根底上使用DIC技术测试滚压载荷下有无缺损关节软骨的内部力学性能。LIU等13将氧化铁纳米粒子均匀涂
4、于腰椎间盘试样外表,并使用DIC技术测试腰椎间盘的内部位移场。此文将对腰椎间盘施加疲劳压缩载荷来模拟一天的繁重劳动,深入研究疲劳损伤对于垂直压缩下腰椎间盘率相关力学性能的影响。使用非接触式DIC技术,分析疲劳加载前后腰椎间盘内部不同区域的力学性能变化规律。1、材料和方法1.1 设计生物力学实验。1.2 时间及地点于2022年9至12月在天津理工大学机械工程学院生物力学实验室完成。1.3 材料1.3.1 实验标本10只新鲜宰杀4-6h内的18月龄小尾寒羊的完整脊柱由天津当地屠宰场提供。获取腰椎间盘L1-2,L3-4,L5-6运动节段,剥离多余软组织、肌肉组织,保存腰椎间盘与少量椎体,制作30个带有上下椎骨的试样样本(图1)。30个实验样本分为2组,其中15个样本用于整体力学性能测试,15个样本用于内部力学性能测试。制作用于内部力学性能测试的试样时,需要平行于矢状面切开用于观察其内部形变,为了维持腰椎间盘内的髓核内压,切割时未损伤髓核。切开后可以很清楚地看到腰椎间盘的内部结构,能观察到断层,而且最低程度破坏其内部成分。实验样本制作完成之后,使用浸泡生理盐水的纱布包裹所有试样,防止实验过程中
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