Symulacja zachowania krążka międzykręgowego
Ludzki kręgosłup, również znany jako szkielet osiowy lub stos pacierzowy, składa się z połączonych ze sobą kostnych kręgów. Kręgi są od siebie oddzielone gąbczasto-włóknistymi dyskami z galaretowatymi rdzeniami, które pełnią rolę czynnościową i zapewniają komfort życia. Podczas ciężkiej aktywności fizycznej absorbują obciążenie dziewięć razy przekraczające masę ciała oraz umożliwią zachowanie elastyczności potrzebnej do wykonywania codziennych ruchów. Ostre urazy i związana z wiekiem degeneracja krążków międzykręgowych skutkuje utratą integralności zewnętrznej, włóknistej części dysku (pierścienia włóknistego). Leczenie jest powolne, ponieważ dyski są największą nieunaczynioną strukturą (bez krążenia krwi) w ludzkim ciele. Nowy model stworzony w ramach finansowanego przez UE projektu "Multi-scale biomechanical modelling and simulation of the intervertebral disc" (DISCSIM) pozwoli wyjaśnić zachowanie dysku w zdrowiu i chorobie. Daje też nadzieję na lepsze leczenie milionów cierpiących na degenerację dysku. Aby osiągnąć szczegółowe strukturalne informacje mikroskopowe o dyskach, próbki z bydlęcego ogona lub ludzkiego kręgosłupa umieszczano w rożnych ośrodkach i cięto na mikrotomie. Jednocześnie dwa mikroskopy podłączone do mikrotomu uzyskiwały obrazy każdego poziomu. Próbki zostały również poddane testowaniu mikromechanicznemu. Optymalizacja urządzenia utrwalającego jest w trakcie, lecz w międzyczasie zebrano dane, aby zapewnić elastyczne właściwości na poziomie tkankowym kości bydlęcej do modeli obliczeniowych pojedynczego krążka międzykręgowego. Bazując na danych eksperymentalnych naukowcy stworzyli wieloskalowy model obliczeniowy dysku w dostępnym na rynku pakiecie oprogramowania ABAQUS do analizy metodą elementów skończonych. Po raz pierwszy możliwe jest oddanie interlamelarnego ślizgania, ścinania i separacji. Obciążenie przez siły ścinające zostało uznane jako jedno z potencjalnych inicjatorów uszkodzenia pierścienia włóknistego dysku międzykręgowego. Pęknięcie pierścienie włóknistego może prowadzić do przepukliny wewnętrznej galaretowatej powierzchni, tj. przepukliny dysku. Model został zwalidowany względem danych dotyczących kompresji dysku międzykręgowego z ogona bydlęcego. Badanie różnych parametrów w modelu DISCSIM pozwala lepiej wyjaśnić biomechanikę dysków, co może pomóc w łagodzeniu społecznoekonomicznego obciążenia patologiami związanymi z dyskiem. Model pomoże naukowcom, lekarzom i pacjentom cierpiącym na skoliozę, ból krzyża i zwyrodnienie dysku.
Słowa kluczowe
Krążek międzykręgowy, zwyrodnienie dysku, model biomechaniczny, pierścień włóknisty, obciążenie przez siły ścinające