准静态压缩下腰椎间盘破裂的力学行为

摘要

背景:腰椎间盘突出症是临床上引起腰痛的主要原因,发病原因十分复杂,长期力学负荷的积累和突然超负荷损伤通常被认为是主要病因。椎间盘突出大多受到其力学状态改变的影响,因此需要对腰椎间盘整体和内部的应力/应变特性进行研究,从而为腰椎间盘突出的预防和治疗提出指导。目的:通过体外实验多角度讨论椎间盘的疲劳特性和破裂机制。方法:实验采用当地屠宰4-6 h的新鲜绵羊腰椎,用其制作的椎间盘样本被用于不同实验。疲劳实验中,探索轻度破裂和疲劳应力对椎间盘疲劳特性的影响。在内部位移和载荷分布实验中,通过应用优化的数字图像相关技术来测试椎间盘加载过程的内部位移分布,应用布拉格光纤光栅技术测量椎间盘加载过程的内部载荷分布。结果与结论:①对于正常及早期破裂腰椎间盘,疲劳前后的破裂应力-应变曲线均呈现出多段特性,主要由4个阶段组成:趾部阶段、线性阶段、屈服阶段和破裂阶段;②正常腰椎间盘的趾部阶段非常明显,而早期破裂腰椎间盘的趾部阶段几乎消失;对于正常和早期破裂腰椎间盘,疲劳后的弹性模量均略大于疲劳前的弹性模量;对于正常腰椎间盘,疲劳后的比例极限大于疲劳前;对于早期破裂腰椎间盘,疲劳后的比例极限小于疲劳前;对于正常腰椎间盘,疲劳后的屈服应力大于疲劳前;对于早期破裂腰椎间盘,疲劳后的屈服应力小于疲劳前;③腹侧纤维环应力<背侧纤维环应力;在背侧区域,外层纤维环应力<内层纤维环应力;而腹侧区域呈现相反规律;④含损伤因子的损伤本构模型可以很好地拟合椎间盘损伤的力学特性,实验结果对预防日常生活中的腰椎间盘突出具有理论上的指导意义。