Analysis of selected mechanical properties of intervertebral disc annulus fibrosus in macro and microscopic scale

• Autorzy: Pezowicz C.

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości mechanicznych krążka międzykręgowego kręgosłupa w skali makro i mikroskopowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main goal of this paper is experimental analysis of selected mechanical properties of single annulus fibrosus lamellae at macroscopic and microscopic levels as well as representation and explanation of the structural response to forced deformation. The conducted analysis of single annulus fibrosus lamella with preserved natural attachments revealed two characteristic mechanisms leading to damage of annulus fibrosus and large diversification of conventional Young's modulus. The analysis in a microscopic level enable the imaging of changes in the collagen matrix during a tensile test and of significant differences in mechanical properties with respect to tensile direction.

PL

Celem pracy była doświadczalna analiza wybranych właściwości mechanicznych oraz zobrazowanie na poziomie makro i mikroskopowym, strukturalnej odpowiedzi na wymuszoną deformację w obszarze pojedynczej blaszki pierścienia, jak i zespołu kolejnych, połączonych ze sobą blaszek pierścienia włóknistego. Badania pojedynczej blaszki pierścienia z zachowanymi naturalnymi przyczepami do tkanki kostnej trzonów kręgów, wykazała istnienie dwóch mechanizmów zniszczenia tkanki oraz duże zróżnicowanie umownego modułu Younga w obszarach krzywej naprężeniowo-odkształceniowej. Badania na poziomie mikroskopowym umożliwiły zobrazowanie zmiany macierzy kolagenowej w trakcie rozciągania i istotnych zmian właściwości mechanicznych w zależności od kierunku obciążania.

Słowa kluczowe

EN

spine; intervertebral disc; tensile test; structural configuration

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 48 nr 4
• Strony: 917--932
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pezowicz C.

• Wroclaw University of Technology, Institute of Machine Design and Operation, Poland,

Bibliografia

• 1. Acaroglu E.R., Iatridis J.C., Setton L.A., Foster R.J., Mow V.C., Weidenbaum M., 1995, Degeneration and aging affect the tensile behavior of human lumbar anulus fibrosus, Spine, 20, 2690-2701
• 2. Adams M.A., Green T.P., 1993, Tensile properties of the annulus fibrosis. I. The contribution of fibre-matrix interactions to tensile stiffness and strength, Eur. Spine J., 2, 203-208
• 3. Boczkowska A., Kapuściński J., Lindemann Z., Witemberg-Perzyk D., Wojciechowski S., 2003, Kompozyty, Oficyna Wydawnicza Politechniki warszawskiej
• 4. Broom N.D., 1984, Further insights into the structural principles governing the function of articular cartilage, J. Anat., 139, 275-294
• 5. Broom N.D., 1986, The collagenous architecture of articular cartilage – a synthesis of ultrastructure and mechanical function, J. Rheumatol., 13, 142-152
• 6. Bruehlmann S.B., Hulme P.A., Duncan N.A., 2004, In situ intercellular mechanics of the bovine outer annulus fibrosus subjected to biaxial strains, J. Biomech., 37, 223-231
• 7. Cassidy J.J., Hiltner A., Baer E., 1989, Hierarchical structure of the intervertebral disc, Connective Tissue Res., 23, 75-88
• 8. Ebara S., Iatridis J.C., Setton L.A., Foster R.J., Mow V.C.,Weidenbaum M., 1996, Tensile properties of nondegenerate human annulus fibrosis, Spine, 21, 452-461
• 9. Elliott D.M., Setton L.A., 2001, Anisotropic and inhomogeneous tensile behaviour of the human annulus fibrosus: experimental measurements and material model predictions, J. Biomech. Eng., 123, 256-263
• 10. Fujita Y., Duncan N.E., Lotz J.C., 1997, Radial tensile properties of the lumbar annulus fibrosis are site and degeneration dependent, J. Orthop. Res., 15, 814-819
• 11. Galante J.O., 1967, Tensile properties of the human lumbar annulus fibrosus, Acta Orthop. Scand., Suppl., 100, 1-91
• 12. Green T.P., Adams M.A., Dolan P., 1993, Tensile properties of the annulus fibrosis. II. Ultimate tensile strength and fatigue life, Eur. Spine J., 2, 209-214
• 13. Hirsch C., Nachemson A., 1954, New observations on the mechanical behavior of lumbar discs, Acta Orthop. Scand., 23, 4, 254-83
• 14. Holzapfel G.A., Schulze-Bauer C.A.J., Feigl G., Regitnig P., 2005, Single lamellar mechanics of the human lumbar anulus fibrosus, Biomechan. Model Mechanobiol., 3, 125-140
• 15. Hukins D.W., Aspden R.M., Yarker Y.E., 1984, Fibre reinforcement and mechanical stability in articular cartilage, Eng. Med., 13, 3, 153-156
• 16. Iatridas J.C., Kumar S., Krishnan L., Rawlins B.A., Weidenbaum M., Mow V.C., 1996, Shear mechanical behaviour of human lumbar annulus fibrosus and the effects of degeneration, ASME Adv. Bioeng., 23, 149-150
• 17. Marchand F., Ahmed A.M., 1990, Investigation of the laminate structure of lumbar disc annulus fibrosus, Spine, 15, 402-410
• 18. Nachemson A.L., 1960, Lumbar intradiscal pressure. Experimental studies on post-mortem material, Acta Orthop. Scand., Suppl., 43, 1-104
• 19. Pezowicz C.A., 2008, Biomechanics of Intervertebral Disc – Assessment of Overload and Stabilisation Effects, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej [in Polish]
• 20. Pezowicz C.A., Robertson P.A., Broom N.D., 2005, Intralamellar relationships within the collagenous architecture of the annulus fibrosus imaged In its fully hydrated state, J. Anat., 207, 4, 299-312
• 21. Pezowicz C.A., Schechtman H., Robertson P.A., Broom N.D., 2006, Mechanisms of annular failure resulting from excessive intradiscal pressure: a microstructural-micromechanical investigation, Spine, 31, 25, 2891-2903
• 22. Skaggs D.L., Weidenbaum M., Iatridis J.C., Ratcliffe A., Mow V.C., 1994, Regional variation in tensile properties and biochemical composition of the human lumbar annulus fibrosus, Spine, 19, 1310-1319
• 23. Wagner D., Lotz J., 2004, Theoretical model and experimental results for the nonlinear elastic behavior of human annulus fibrosus, J. Orthop. Res,, 22, 901-909
• 24. Wu H.C., Yao R.F., 1976, Mechanical behavior of the human annulus fibrosus, J. Biomech., 9, 1, 1-7