Influence of Disc Herniation on the Mechanical Behaviour of the Lumbar Intervertebral Disc

Beschreibung

Die Bandscheibe von Wirbeltieren (engl. intervertebral discs, kurz: IVDs) stellt ein knorpeliges und zugleich gelenkiges Strukturelement dar, welches Flexibilität, Übertragung, Veränderung und auch Verteilung von Kräften realisiert. Kommt es in einer Bandscheibe zu einer Degeneration, so kommt es typischer Weise auch zu einem voranschreitenden Höhenverlust, begleitet von einer radialen Ausbauchung der Bandscheibe. Hierdurch verkürzt sich die gesamte Wirbelsäule, versteift als Ganzes und wird in Folge dessen weniger beweglich. In den letzten Jahrzehnten hat sich mehr und mehr die Ansicht durchgesetzt, dass es einer zielgerichteten Strategie im Bereich des Tissue Engineering bedarf, welche auf Basis der biologischen Ursachen der BandscheibenDegeneration sowohl auf eine Schmerzlinderung, wie auch auf einer Wiederherstellung der Wirbelsäulen-Funktion abzielt. Eine IVD setzt sich aus zwei Hauptstrukturen zusammen: Der Annulus Fibrosus (AF), sowie der Nucleus Pulposus (NP). Im Zusammenspiel leiten diese beiden Elemente Spannungen und Gewicht (die wirkenden Belastungen) von einem Rückenwirbel zum Nächsten und erlauben somit die Bewegung der Wirbelsäule, vergleichbar mit der eines langen flexiblen Gelenkes. Bei einem Bandscheibenvorfall kommt es in der IVD aufgrund einer degenerierten AF zu einem Austreten des weichen gel-artigen Kerns (NP) aus dem zerreißenden äußeren Faser-Ring (AF) heraus. Aufgrund eines Bandscheibenvorfalls der Lendenwirbel kann es zu einem Druck auf die Nerven der Wirbelsäule kommen, was wiederum meist mit äußert starken Schmerzen verbunden ist. Die Herausforderung besteht darin, genau jene Werkstoffe zu entwickeln, welche das mechanische Verhalten von Knorpel entsprechend einer nativen Bandscheibe nachzubilden. Dabei spielt das Design des experimentellen Versuchsaufbaus eine Schlüsselrolle. Gleichwohl führt die begrenzte Verfügbarkeit an frischen (also unmittelbar entnommenen) IVDs zu der Notwendigkeit, für die biomechanischen Untersuchungen auf zuvor eingefrorene und für den Versuch wieder aufgetaute Proben zurückzugreifen. Mehrere Autoren haben die mechanischen Eigenschaften aufgetauter IVDs beschrieben, allerdings wurde nur von Wenigen auf die Einflüsse den Lagerbedingungen wie Gefriertemperatur sowie Abkühl- und Auftaugeschwindigkeit eingegangen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein spezialisierter IVD Bioreaktor verwendet, welcher auf experimentellem Wege das biomechanische Verhalten von Bandscheiben abbildet und zudem die Untersuchung von Bandscheibenschädigungen bzw. die Entstehung von Bandscheibenvorfällen erlaubt. Die in dieser Studie verwendeten Proben wurden von sechs Monate alten Schweinen entnommen. Zunächst wurden Langzeitversuche mit mono-axialer Kompressionsbelastung durchgeführt. Danach wurde die experimentell ermittelten Rohdaten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Form und Größe normiert. Anschließend wurden die Ergebnisse aus den frischen bzw. den zuvor eingefrorenen IVDs verglichen, wobei unterschiedliche Gefriertemperaturen sowie Abkühl- und Auftaugeschwindigkeiten verVII wendet wurden. Unter Anwendung einer Varianzanalyse (ANOVA) wird die statistische Signifikanz der ermittelten Ergebnisse bestimmt. Um das biomechanische Verhalten von IVDs zu beschreiben, wird ein visco-hyperelastisches Material-Modell getestet. Daraufhin wird das neue numerische Simulation-Modell weiterentwickelt, um die grundlegenden Effekte, welche das Verhalten der IVD charakterisieren, zu beschreiben. Wie für Multi-Phasen Materialien typisch, bestehen auch IVDs aus einer festen wie auch aus einer flüssigen Phase. Aus diesem Grund konzentriert sich das Modell hauptsächlich auf die Entwicklung eines neuen anisotropen viskoelastischen Materials, welches nicht nur das mechanische Verhalten des festen Anteils berücksichtigt, sondern auch fluidabhängiges Verhalten und Porenfluss mitberücksichtigt. Hieran anschließend wird ein pseudo-elastisches Schädigungsmodell herangezogen, um das anisotrope, mechanische Schädigungsverhalten von Bandscheiben zu charakterisieren. Daraufhin wird das neue numerische Simulationsmodell weiterentwickelt, um die grundlegenden Effekte, welche das Verhalten der IVD charakterisieren, zu beschreiben. Schlussendlich wird zum einen ein Phasenfeld-Modell angewendet, um einen Bandscheibenvorfall darzustellen, und zum anderen ein biphasisches schwellungs Modell, um das Reißen der AF bei Anwendung pathologischer Belastungen nachzubilden. Abschließend werden die experimentellen Ergebnisse mit denen von numerischen Simulationen verglichen.

Autor*in

Marzieh Azarnoosh

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Dissertation IAM RWTH

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