Experimental procedures for the identification of material properties of intervertebal disc - a contribution for the development of biomimetic substitutes for the nucleus pulposus

Abstract

The degenerative disc disease is among the promoters of low back pain, being normally associated with sciatica and disc herniation. Several experimental works have studied the intervertebral disc and proven that it presents poroelastic, osmotic, viscoelastic and anisotropic characteristics. However, the information about the mechanical loading on the IVD and its relation with the degenerative disc disease remains unclear. This work aimed to provide new insights about the mechanical properties of the intervertebral disc, as well as to contribute for selection and characterization of a new implant, developed by research partners at Nicast®, Lod, Israel. In order to better understand the biomechanical behavior of the intervertebral disc, a new set of experimental techniques for mechanical characterization, mechanical testing protocols and benchmark results that allows stablishing specifications for the new nucleus pulposus implants were addressed and performed. The experimental approach included mechanical tests in the overall structure of a porcine intervertebral disc: axial compressive tests at the motion segment (composed by the two adjacent vertebrae and the intervertebral disc) and annulus fibrosus level, as well as pressurization tests on nucleus pulposus. Moreover, it comprised several tests for the selection and mechanical characterization of the developed implant. The outcomes demonstrated that porcine motion segments are valid model to provide valuable information about the mechanical behavior of the human intervertebral disc, for the axial compressive tests. This study also proved that the rupture of the intervertebral disc could be reached at intradiscal pressure levels that are normally reported as physiological. Moreover, the compressive tests on the reinforced-ground matrix of the annulus fibrosus strengthened the idea, previous reported in the literature, that this structure presents an inhomogeneous behavior. Finally, the implant as revealed to have a satisfactory behavior under the set of experimental tests performed: while the ex-situ tests revealed promising characteristics in what concerns to the capacity to replace the nucleus pulposus, the stress relaxation tests in-situ, performed during the placement of the implants in the nuclear cavity of the motion segment, revealed no significant differences between the behavior of intact structures and the ones with the implants placed in the inner region of the intervertebral disc. The intervertebral disc is an intricate struture, with a “multi-factors dependent” biomechanical behavior, being extremely hard to design an efficient solution to replace its damaged structures. The experimental procedures of this work gave valuable information about the mechanical properties of the intervertebral disc, contributing for the advance of the knowledge on the biomechanics of its compounds. Furthermore, it helps to clarify the suitability of the new developed implant in the partial replacement of the damaged intervertebral disc.

A doença degenerativa do disco intervertebral é uma das principais causas de dor lombar, estando intimamente associada à dor ciática e à herniação discal. Nos últimos anos têm sido realizados diversos trabalhos experimentais, os quais demonstraram que o disco apresenta características poro-elásticas, viscoelásticas e anisotrópicas. No entanto, a relação entre as cargas aplicadas no disco intervertebral e a degeneração do disco intervertebral não é clara. Este trabalho tem por objectivo providenciar informação relevante sobre as propriedades mecânicas do disco intervertebral, bem como contribuir para a seleção e caracterização de um novo implante, desenvolvido pela Nicast®, localizada em Lod, Israel - associado ao projeto no qual este trabalho se inseriu, o NP Mimetic. Para tal, no âmbito deste trabalho foram desenvolvidas e produzidas protocolos e técnicas experimentais para a caracterização mecânica e material, tendo sido obtidos valores standard importantes, que permitem, por um lado, o melhor conhecimento sobre o comportamento biomecânico do disco intervertebral, e por outro lado, definir as especificações relevantes para novos implantes de substituição do núcleo pulposo. A abordagem experimental incluiu testes mecânicos na estrutura do disco intervertebral de suínos, nomeadamente testes de compressão axial em unidades funcionais da coluna, constituídas por um disco intervertebral entre duas vértebras adjacentes, e no anel fibroso, bem como testes de pressurização na cavidade nuclear do disco. Além disso, este trabalho apresenta ainda diversos testes complementares para a seleção, caracterização e validação mecânica do implante desenvolvido. Os resultados obtidos demonstraram que as unidades funcionais da coluna de suínos apresentam-se como um modelo válido para a obtenção de informações relevantes sobre o comportamento mecânico do disco intervertebral humano, em testes de compressão. Este trabalho mostrou ainda que a rotura do disco intervertebral pode ser atingida para valores de pressão interna discal que são normalmente considerados como fisiológicos. No que diz respeito aos testes de compressão estática e dinâmica na matriz do anel fibroso, estes reforçaram a ideia previamente descrita na literatura, de que esta estrutura apresenta um comportamento não-homogéneo. Por último, os implantes apresentaram um comportamento muito satisfatório nos testes a que foram submetidos: enquanto os testes de avaliação do implante ex-situ revelaram características bastante promissoras no que concerne à capacidade de substituição do núcleo, os testes de relaxação de tensões in-situ, realizados aquando da colocação dos implantes na cavidade nuclear das unidades funcionais da coluna, revelaram a inexistência de diferenças significativas entre o comportamento dessas mesmas estruturas antes e após a colocação do implante na cavidade nuclear. O disco intervertebral é uma estrutura intrincada, apresentando um comportamento biomecânico de dependência multifactorial. Como tal, o desenvolvimento de implantes que possam substituir total ou parcialmente o disco intervertebral degenerado é uma tarefa de elevada complexidade. Este trabalho providencia um conjunto de dados relevantes sobre a resposta mecânica dos discos intervertebrais, contribuindo para o avanço do conhecimento do comportamento biomecânico dos seus componentes. Mais ainda, permite clarificar a adequabilidade de um novo implante na substituição do núcleo pulposo do disco intervertebral.