磁盘高度和应变依赖的溶解物扩散性对患者个性化的椎间盘模型中的代谢运输的影响

科学领域:

• 生物力学 生物力学
• 生物医学工程 生物医学工程
• 计算生物学 计算生物学

背景情况:

• 椎间盘 (IVD) 退化导致腰部疼痛,由由于盘的无血管性而导致的营养压力驱动.
• 在IVD中溶液运输依赖于扩散,受组织结构和机械力的影响.
• 磁盘几何,机械应变和退化对营养物质运输的综合影响尚未完全理解.

研究的目的:

• 为了研究椎间盘 (IVD) 几何和退化对营养物质运输的影响,使用孔机械有限元素 (FE) 模型.
• 评估磁盘高度和退化诱导的物质变化对IVD代谢平衡的孤立影响.
• 在IVD机械运输模拟中评估元素内部扩散度梯度 () 的意义.

主要方法:

• 开发了不同高度 (薄,中,高) 的L4-L5腰部IVD的患者特定的孔机械有限元素 (FE) 模型.
• 在健康 (Pfirrmann等级1) 和退化 (Pfirrmann等级3) 条件下模拟了三天的生理机械负载周期.
• 分析了磁盘高度和退化对氧气,葡萄糖和乳酸度的影响,考虑到.

主要成果:

• 减少圆盘高度 (~1/3减少) 增加核/前部氧气和葡萄糖 (30%) 和乳酸减少 (≥ 20%).
• 增加的盘高度 ($~1/3$增加) 减少的氧气/葡萄糖 ($30\%$) 和增加的乳酸.
• 这些对新陈代谢平衡的几何效应在退化的组织中得到了放大.
• 加入D的含量对溶液度概况的影响微不足道.

结论:

• 椎间盘几何和矩阵组成是代谢平衡的主要驱动因素.
• 在IVD机械运输FE建模中,元素内部扩散度梯度 ($D)\; 在实践中具有有限的相关性.$
• 简化的扩散模型忽略D可能足以用于未来的IVD建模.