Charakterystyka mechaniczna rdzenia kręgowego świni pod wpływem obciążenia statycznego w badaniu in vitro

• Autorzy: Pasławski R. , Jacyna M. , Jacyna K. , Janiszewski A. , Będziński R.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.2277

Warianty tytułu

EN

The mechanical characteristics of a porcine spinal cord under static loading in vitro

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Podstawy: Pomimo faktu prowadzenia wielu badań wiadomo, że właściwości mechaniczne świńskiego rdzenia kręgowego poddawanego obciążeniom nie zostały jeszcze dostatecznie wyjaśnione. Metody: Próbki zostały obciążone przy różnych prędkościach odkształcenia: 0,02 (1/ s) i 0,002(1/ s)do wielkości odkształcenia od 5% do 10%. Po osiągnięciu określonej wartości odkształcenia próbki pozostawiono przy stałym odkształceniu po to aby utrzymać relaksację naprężeń. Wyniki: Testy rozciągania przedstawiające relację naprężenie-odkształcenie są znacząco nieliniowe z krzywą odpowiadającą niskiej sztywności. W poniższym obszarze naprężenie wzrasta wykładniczo wraz z przyłożonym odkształceniem. Największe wartości obliczonych naprężeń dla 10% odkształcenia wynosiły 0,014 MPa ( przy prędkości odkształcenia 0,02 (1/s)) i 0,008 MPa (przy prędkości 0,002 (1/s)).Liniowa aproksymacja naprężeń określona metodą minimum kwadratów pozwala wyznaczyć wartość modułu Younga: 39,68 kPa przy prędkości odkształcenia 0,02 (1/s) i 31,07 kPa przy prędkości odkształcenia 0,002 (1/s). Współczynnik statystyczny dopasowania R dla obu regresji miał wartość ponad 0,99 i potwierdził dobrą jakość aproksymacji. Współczynniki A i β (w równaniu Cloyd i Fujita) wynosiły odpowiednio 1,5 MPa i 31,3 przy prędkości odkształcenia 0,02 (1/s) oraz 1,3 MPa i 25,3 przy prędkości 0,002 (1/s). Względna relaksacja naprężeń została osiągnięta po 60 s w zakresie od 20% do 37%. Bezwzględna relaksacja naprężeń wynosiła od 0,4 kPa do 2,4 kPa przy prędkości odkształcenia 0,002 (1/s) przy 5 proc. maksymalnym odkształceniu oraz odpowiednio 0,02 (1/s) przy 10 proc. max. odkształceniu. Interpretacja: Charakterystyki mechaniczne przedstawiły też widoczną zależność odkształcenia i prędkości jako, że sztywność znacząco wzrasta wraz ze wzrostem prędkości odkształcenia.

EN

Background: In spite of a number of researchers, it is well known that mechanical behaviour of a spinal cord under loading has not yet been studied extensively enough. Methods: Specimens were loaded at various strain rates: 0.02/s and 0.002/s to 5% and 10% strain. After reaching defined strain value, samples were left at a constant strain for stress relaxation. Findings: The demonstrated tensile testing stress-strain response is a highly non-linear curve corresponding to low stiffness. In the toe region stress increases exponentially with the applied strain. The highest calculated stress value for 10% strain was 0,014 MPa (strain rate 0.02/s) and 0.008 MPa (strain rate 0.002/s). Linear approximation of the stress by the least square method allowed to derive Young modulus of the value: 39.68 kPa at strain rate 0.02/s and 31.07 kPa at strain rate 0.002/s. R squared value for both regressions was above 0.99 and confirmed a good quality of approximation. A and β coefficients (in Cloyd and Fujita equation) were 1.5 MPa and 31.3 at 0.02/s strain rates and 1.3 MPa and 25.3 at 0.002/s strain rates correspondingly. Relative stress relaxation increased from 20% to 37% after 60 s. Absolute stress relaxation was from 0.4 kPa to 2.4 kPa, at 0.002/s strain rate by 5% maximum strain and 0.02/s strain rate by 10% respectively. Interpretation: Mechanical characteristics demonstrated a visible strain-rate dependence as stiffness was significantly increasing with an increase of strain rate.

Słowa kluczowe

PL

charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa; prędkość odkształcenia; rdzeń kręgowy

EN

stress-strain characteristics; rate strain; spinal cord

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 2
• Strony: 43--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Pasławski R.

• Department and Clinic of Internal and Occupational Diseases and Hypertension, Wrocław

autor

Jacyna M.

• Wroclaw University of Technology Institute of Machine Design and Operation

autor

Jacyna K.

• Regional Specialist Hospital in Wroclaw Research and Development Centre

autor

Janiszewski A.

• Poznań University of Life Sciences Faculty of Veterinary Medicine and Animal Sciences Department of Internal Disease and Veterinary Diagnosis

autor

Będziński R.

• University of Zielona Góra Institute of Construction and Operations

Bibliografia

• 1. Bilston LE., Thibault LE.: The mechanical properties of the human cervical spinal cord in vitro. „Annals of Biomedical Engineering” 1996, 24(1), p. 67–74.
• 2. Busscher I., Ploegmakers J.J., Verkerke G.J., Veldhuizen A.G.: Comparative anatomical dimensions of the complete human and porcine spine. „European Spine Journal” 2010, 19(7), p. 1104–1114.
• 3. Cheng S., Clarke E.C., Bilston L.E.: Rheological properties of the tissues of the central nervous system: a review. „Medical Engineering and Physics” 2008 30(10), p. 1318–1337.
• 4. Cheng S., Clarke E.C., Bilston L.E.: The effects of preconditioning strain on measured tissue properties. „Journal of Biomechanics” 2009 42(9), p. 1360–1362.
• 5. Clarke E.C.: Spinal Cord Mechanical Properties in Neural Tissue Biomechanics. Springer Berlin, Heidelberg 2010 p. 25–40.
• 6. Clarke E.C., Cheng S., Bilston L.E.: The mechanical properties of neonatal rat spinal cord in vitro, and comparisons with adult. „Journal of Biomechanics” 2009, 42(10), p. 1397–1402.
• 7. Cloyd J.M., Malhotra N.R., Weng L., Chen W., Mauck R.L., Elliott D.M.: Material properties in unconfined compression of human nucleus pulposus, injectable hyaluronic acid-based hydrogels and tissue engineering scaffolds. „European Spine Journal” 2007, 16(11), p. 1892–1898.
• 8. Czyż M., Ścigała K., Jarmundowicz W., Będzinski R.: Numerical model of the human cervical spinal cord– the development and validation. „Acta of Bioengineering and Biomechanics” 2011, 13(4), p. 51–58.
• 9. Delgadillo J.O.V., Delorme S., El-Ayoubi R., DiRaddo R., Hatzikiriakos S.: 2010, Effect of freezing on the passive mechanical properties of arterial samples. „Journal of Biomedical Science and Engineering” 2010, 3(7), p. 645–652.
• 10. Fiford R.J., Bilston L.E.: The mechanical properties of rat spinal cord in vitro. „Journal of Biomechanics” 2005, 38(7), p. 1509–1515.
• 11. Fujita Y., Duncan N.A., Lotz J.C.: Radial Tensile Properties of the Lumbar Annulus Fibrosus are Site and Degeneration Dependent. „Journal Orthopaedic Research” 1997, 15(6), p. 814–819.
• 12. Ung TK., Lin H.S., Bunegin L., Albin M.S.: Mechanical and neurological response of cat spinal cord under static loading. „Surgical Neurology” 1982,17(3), p. 213–217.
• 13. Persson C., Summers J.L., Hall R.M.: Modelling of Spinal Cord Biomechanics: In Vitro and Computational Approaches in Neural Tissue Biomechanics. Springer Berlin Heidelberg 2011, p. 181–201.
• 14. Sparrey C.J., Keaveny T.M.: The effect of flash freezing on variability in spinal cord compression behavior. „Journal of Biomechanical Engineering” 2009, 131(11), 111010, p. 1–5.
• 15. Tunturi A.R.: Elasticity of the spinal cord, pia, and denticulate ligament in the dog. ”Journal of Neurosurgery” 1978, 48(6), p. 975–979.
• 16. Tunturi A.R.: Viscoelasticity of dog spinal cord. „Physiological Chemistry and Physics” 1980, 12(4), p. 373– 378.
• 17. Yoganandan N., Kumaresan S., Pintar F.A.: Biomechanics of the Cervical Spine. Part 2: Cervical Spine Soft Tissue Responses and Biomechanical Modeling. „Clinical Biomechanics” 2001, 16(1), p. 1–27.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).