Viscoelastic response of intervertebral disks at audiofrequencies

Abstract

The viscoelastic responses of intervertebral disks taken from the cervical regions of the spinal columns of several adult, male, mongrel dogs have been determined. The results are presented in terms of a mean complex shear compliance,J _d*=J′ _d −iJ″ _d , for the disk structures when these are subjected to small-amplitude audiofrequency vibrations (25–5000 Hz) while surrounded by normal salt solution, both at room temperatures and at 98·6°F (37.0°C) (in vitro). Values of the general compliance levels decrease with time after sacrifice, and an abrupt transition in the 100-Hz compliance-time curves at 5·5 hours after death is attributed to the completion of rigor mortis (at room temperature). Comparisons of the broad compliance-frequency disk spectra with those of five synthetic polymeric materials, including a silicone rubber, are presented and suggestions for materials suitable to be used in disk prosthesis are made. Such materials must have values of both elastic compliance (J′) and viscous compliance (J″) which are close to the corresponding living disk compliances. A brief discussion of the characteristic sharp resonance dispersions or fine structure observed in the disk spectra is also presented along with suggestions for future measurements. Finally, the idea is advanced that a composite synthetic structure with a stiff, outer ring of low compliance and a very compliant inner core might most satisfactorily mimic the viscoelastic behaviour of a normal intervertebral diskin vivo.

Sommaire

Les réactions viscoélastiques des disques intervertébraux pris de la région cervicale de colonnes vertébrales de plusieurs adultes mâles et de chiens métis ont été déterminées. Les résultats sont présentés en termes d'un complexe moyen d'adaptation de force,J _d*=J′ _d −iJ″ _d , pour les structures des disques quand ces-ci sont sujettes à des vibrations de fréquence acoustique de petite amplitude, (25–5000 Hz) et quand elles sont entourées par des solutions salines, et à la température de la chambre et à 98,6°F (37°C) (in vitro). Les valeurs des niveaux d'adaptation générale décroissent avec le temps après le sacrifice et une transition abrupte dans les courbes du temps d'adaptation—100-Hz à 5,5 h après la mort est attribuée à l'accomplissement de la rigor mortis (à la température de la chambre). Les comparaisons des disques de large spectre de fréquence d'adaptation avec celles de cinq matériels polymériques synthétiques, incluant un caoutchouc artificiel sont présentées et on fait des suggéstions pour des matériels à être utilisés dans la prothèse des disques. Tels matériels doivent avoir des valeurs d'adaptation élastique (J′) et d'adaptation visqueuse, qui sont proches de l'adaptation du disque vivant. On présente un court commentaire sur les dispersions caractéristiques de résonance tranchante ou les structure fines observées dans les spectres des disques, ensemble avec des suggéstions pour des futurs mesurages. Finalement on avance l'idée qu'une structure synthétique composée d'un anneau extérieur rigide de basse adaptation, avec un centre très adaptable pourrait imiter d'une manière très satisfaisantele comportement viscoélastique d'un disque intervertébral normalin vivo.

Zusammenfassung

Es sind die viskoelastischen Reaktionen von Zwischenwirbelscheiben festgestellt worden, die den zervikalen Gegenden der Wirbelsäulen mehrerer erwachsener, männlicher Hundekreuzungen entnommen waren. Die Ergebnisse werden in Form von einer mittleren, komplexen SchubnachgiebigkeitJ _d*=J′_d−iJ″_d für die Scheibenstrukturen dargestellt, wenn diese Vibrationen kleiner Audiofrequenzamplituden (25–5000 Hz) unterworfen werden, während sie von normalen Salzlösungen sowohl bei Raumtemperaturen und bei 98,6°F (37,0°C) (in vitro) umgeben sind. Werte der allgemeinen Nachgiebigkeitsgrade nehmen zeitlich nach Opfergun ab, und ein schroffer Übergang in den 100-Hz Nachgiebigkeit-Zeitkurven 5,5 Stunden nach dem Tode wird dem Abschluss des rigor mortis (bei Raumtemperatur) zugeschrieben. Es werden Vergleiche der breiten Nachgiebigkeit-Frequenz—Scheibenspektren mit fünf synthetischen polymeren Materialien einschliesslich einem Siliziumgummi gebracht, und es werden Vorschläge fűr geeignete Werkstoffe zur Verwendung als Scheibenprothese gemacht. Diese Werkstoffe müssen sowohl Werte elastischer Nachgiebigkeit (J′) und viskoser Nachgiebigkeit (J″) besitzen, welche den entsprechenden lebenden Scheibennachgiebigkeiten nahe kommen.

Es wird auch eine kurze Beschreibung der charakteristischen scharfen Resonanzverteilungen oder der in den Scheibenspektren beobachteten feinen Struktur zusammen mit Vorschlägen für zukünftige Messungen gegeben. Abschliessend wird die Idee vorgetragen, dass eine zusammengesetzte, synthetische Struktur mit einem steifen, äusseren Ring von geringer Nachgiebigkeit und einem sehr nachgiebigen, inneren Kern am besten das viskoelastische Verhalten einer normalen Zwischenwirbelscheibein vivo nachahmen könnte.