体温环境下腰椎间盘疲劳损伤的力学性能研究

目的腰椎间盘退变是导致椎间盘突出症、引起腰痛的病理基础,是骨科临床常见的一种疾病。腰椎间盘退变的病因是复杂的,其中长期力学载荷积累和载荷突变被认为是导致退变的重要原因。在疲劳载荷作用下腰椎间盘会出现疲劳损伤,常见于运动员长跑、新兵训练以及老年人的日常活动,主要表现为显微裂纹萌生及扩展、力学性能下降等,危害很大。本文自行开发了基于STM32的嵌入式环境检测系统,有效控制温度、湿度及氧气浓度,以接近人体在体环境。在此基础上,采用电子通用疲劳试验机(EUT-1020)进行准静态压缩实验,研究了体温环境下腰椎间盘疲劳损伤的力学性能。方法使用刚宰杀的羊腰椎间盘,将其处理后取L2~3、L3~4、L4~5运动节段制作实验样品。实验样品分为两组:体温组、对照组。通过上下椎骨将样品固定在实验平台上,保证椎骨平面与中心轴线垂直;进行准静态压缩-循环加载压缩-准静态压缩实验,其中循环加载方式为三角波应力控制,循环压缩1 000次。结果研究结果表明,所有腰椎间盘均呈现非线性的载荷-位移、应力-应变特性曲线。(1)循环载荷的影响:体温组、对照组的样品均显示,循环加载前后腰椎间盘力学性能明显变化。(2)节段变化的影响:体温组、对照组的样品均显示,腰椎间盘力学性能随着节段变化而明显变化,且弹性模量存在如下变化规律:L4~5节段>L3~4节段>L2~3节段。(3)加载速率的影响:对加载速率为0.01 mm/s和0.1 mm/s状态下力学性能进行比较可知,循环加载前后,加载速率对腰椎间盘力学性能的影响不大。(4)环境因素的影响:体温组的样品显示,温度、湿度及氧气浓度对于腰椎间盘力学性能有着显著影响。结论循环加载前后,腰椎间盘力学性能发生了明显的变化,说明在疲劳状态下腰椎间盘特别容易受到损伤,腰椎间盘突出症的发生几率较大,这方面的研究将为临床椎间盘疾病治疗和椎间盘缺损修复等方面提供理论依据。