软骨终板退化对颈椎椎间盘物质运输和力学响应的影响OA北大核心CSTPCD
Effects of Cartilage Endplate Degeneration on Metabolic Transport and Biomechanical Responses of Cervical Intervertebral Discs
软骨终板内的液体流动是椎间盘营养供给和代谢废物运输的主要途径.退化的终板刚度增加、渗透性和含水量下降,会影响椎间盘内物质运输和力学响应.基于人体颈椎计算机断层扫描数据建立了C5-C6 节段的多孔介质有限元模型.对验证后的模型施加压缩、前屈、后伸、轴向旋转和侧弯五种载荷,通过改变终板渗透性、孔隙比和模量,分析了正常、钙化和硬化三种状态下椎间盘的响应.结果表明:软骨终板退化增加了软骨终板和髓核的多孔压力,降低了软骨终板的流体速度.前屈载荷下,与正常终板对比,钙化和硬化终板导致髓核内流体的多孔压力分别增加了 50.8%和 88.9%.退化终板渗透率和含水量的降低导致髓核内液体不易流动,增加了髓核基体的应力,在压缩和轴向旋转载荷下,硬化终板导致髓核基体的最大主应力分别增加了 122.2%和 100.0%.
The fluid flow in the cartilage endplate(CEP)is the main path of nutrient supply and metabolic waste transport within the intervertebral disc(IVD).The increased stiffness,the decreased permeability and the water content of the degenerated cartilage endplate influence the mechanical responses and material trans-port within the IVD.A porous finite element model for C5-C6 of the cervical spine was established based on the computed tomography(CT)images of an adult.After validation,loads of compression,flexion,extension,ax-ial rotation and lateral bending were applied to this model to calculate the instantaneous responses of the IVD.The calcification and sclerosis in the CEP were simulated with increase of its modulus and decrease of its per-meability and porosity,compared with a healthy case.The results show that,the pore pressures within the CEP and the nucleus pulposus(NP)increase and the fluid velocity decrease in the degenerated CEP.Under flexion,the pore pressure in the NP increase by 50.8%and 88.9%in calcified and sclerotic CEPs compared to the healthy endplate,respectively.The decreases of the permeability and the water content in the degenerated CEP hinder the fluid flow and increase the maximum principal stresses of the NP matrix by 122.2%and 100.0%under compression and axial rotation,respectively.
刘景龙;徐鹏;李侨;王丽珍;樊瑜波
北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新研究院),杭州 311115北京航空航天大学 医学科学与工程学院,北京 100191北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新研究院),杭州 311115||北京航空航天大学 虚拟现实技术与系统全国重点实验室,北京 100191北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京市生物医学工程高精尖创新中心,生物与医学工程学院,北京 100191||北京航空航天大学 医学科学与工程学院,北京 100191||北京航空航天大学 虚拟现实技术与系统全国重点实验室,北京 100191
力学
软骨终板退化多孔介质建模流体多孔压力数值计算
cartilage endplate degenerationporous media modelingfluid porous pressurenumerical simulation
《应用数学和力学》 2024 (006)
763-774 / 12
国家自然科学基金("叶企孙"科学基金项目)(U2241273)
评论