冲击载荷下退变、损伤和修复椎间盘的力学行为研究

Intervertebral disc degeneration is the pathological basis for lumbar disc herniation and lumbago, and genetic, nutritional, aging, trauma and biomechanical history are all potential triggers for intervertebral disc degeneration. It is of great significance to study how the impact load aggravate the degeneration or swelling of intervertebral disc to guide the clinical treatment of the emergency of the lumbar disease and relieve the pain of the patients. The effect of impact load on degeneration, damage and repair of intervertebral disc will be studied by experiment and numerical simulation. The degeneration and partial degeneration of the intervertebral disc are made by trypsin denaturation. The degeneration degree is determined by imaging, morphology, biomechanics and biochemical components, and the defect model is made. The degenerative and repaired intervertebral disc model is formed by Genepin treatment. Under impact load of intervertebral disc tissue water loss, the reduction of the internal pressure, nucleus, annulus fracture internal structure, the mechanical behavior of fiber ring fracture from the nucleus pulposus prolapse are researched; clear vertebral endplate, annulus and nucleus damage and permeability change are also researched; through the digital image correlation technology the strain of intervertebral disc is determined. The effects of impact load on the mechanical behavior of degeneration, damage and repair of intervertebral disc are simulated and studied. The effects of impact load on the intervertebral disc will be determined by comprehensive and numerical simulation, and showed the guiding suggestions for the treatment of impact load caused by low back pain were proposed.

椎间盘退变是导致椎间盘突出症和引起腰痛的病理基础，而遗传、营养、衰老、外伤和生物力学史等都是引发椎间盘退变的潜在诱因。研究冲击载荷如何加剧椎间盘退变或膨出对于指导临床治疗腰病急症和解除患者病痛具有重要意义。项目结合实验与数值模拟方法研究冲击载荷（高加载速率）对退化、损伤和修复椎间盘的影响。采用胰蛋白酶变性制作椎间盘整体与部分退变模型，通过影像学、形态学、生物力学以及生化组分等确定退变程度；纤维环切口制作缺损模型；Genepin处理制作退变修复的椎间盘模型。冲击载荷下研究病理椎间盘组织水分丢失、内压降低，髓核、纤维环内部结构断裂及髓核脱出的力学行为；椎体终板、纤维环和髓核的损伤程度、渗透率变化；通过数字图像相关技术确定椎间盘应变规律。对冲击载荷影响退变、损伤和修复椎间盘的力学行为进行仿真和参数研究。综合实验与数值模拟确定冲击载荷对椎间盘的影响规律，提出治疗冲击载荷导致腰痛急症的指导性建议。

1、项目背景：力学和生物学都被认为是腰椎间盘退变的主要原因，并且越来越多的学者认为细胞生理受到力学负荷的强烈影响，因此有必要从生物力学角度深入分析腰椎间盘退变的发病机制。.2、主要研究内容：使用正常、退变、破裂腰椎间盘进行体外实验，测试准静态速率及高加载速率下其率相关粘弹性力学行为；使用布拉格光纤光栅测试内部应力分布，使用数字图像相关技术测试内部位移分布。使用非线性本构模型描述腰椎间盘率相关粘弹性力学行为，并使用有限元仿真模型预测复杂载荷下腰椎间盘的力学行为。.3、重要结果、关键数据及其科学意义.（1）腰椎间盘退变的生物力学研究：研究了退变对于加载卸载曲线的影响、退变对于内部应力及位移分布的影响、退变前后组织形态学改变。结果表明，退变前后腰椎间盘加载-卸载曲线不重合，均表现出粘弹性特性。退变显著影响腰椎间盘内部应力分布，但不会改变整体位移分布。此外，胰蛋白酶处理的腰椎间盘组织形态发生了明显变化。.（2）腰椎间盘破裂的生物力学研究：研究了腰椎间盘破裂的应力-应变特性曲线、CT扫描结果。结果表明，破裂应力-应变曲线呈现出多段特性，并且健康腰椎间盘和轻度破裂腰椎间盘的破裂现象不同。.（3）高加载速率下腰椎间盘的生物力学研究：研究了应力-应变曲线、力学性能参数。结果表明，高速加载时腰椎间盘弹性模量明显大于准静态加载时的弹性模量，并且退变显著影响不同加载方式下腰椎间盘的力学性能。.（4）加载方式对于腰椎间盘生物力学行为的影响：研究了人体弯腰提重物时的腰椎间盘受力计算、前屈压缩下内部位移分布、拉伸/压缩载荷下的力学性能参数、以及疲劳对于内部位移分布的影响。结果表明，弯腰提重物时，腰椎间盘内压力可达到体重的数倍。拉伸刚度比压缩刚度小一个数量级。此外，随着疲劳时间及幅值增加，腰椎间盘的杨氏模量明显增加。.（5）腰椎间盘生物力学的理论建模及有限元仿真研究：使用非线性粘弹性本构模型描述腰椎间盘的力学行为，并进行了腰椎间盘有限元仿真。