Development of a biomimetic finite element model of the intervertebral disc diseases and regeneration

Abstract

Degenerative Disc Disease is one of the largest health problems faced worldwide, based on lost working time and associated costs. This is the driving force for the development of a biomimetic Finite Element (FE) model of the Intervertebral Disc (IVD), which is a multiphasic and highly inhomogeneous structure. A great amount of experimental and numerical works have studied the IVD and proven that it presents osmo-poro-hyper-visco-elastic behavior, with high influence of the anisotropic behavior of collagen fibers. Poroelastic models of the IVD are mostly implemented in commercial FE-packages, which means that the accessibility to the source algorithm is often circumscribed. In order to approach to the biomechanical behavior of the IVD in the Human spine with higher flexibility and accuracy, an innovative poroelastic formulation implemented on a home-developed open-source FE solver is addressed and validated throughout this work. Numerical simulations were mostly devoted to the analysis of the non-degenerated Human IVD time-dependent behavior, using a geometrically accurate FE model of a full motion segment (MS), constructed with quadratic 27 nodes hexaedral elements. The results of the tests performed for creep assessment were inside the scope of the experimental and numerical literature data, with remarkable improvements of the numerical accuracy when compared with some previously published results obtained with the commercial FE-package ABAQUS®. Previously unpublished experimental data from the research partners at VUmc (Amsterdam, The Netherlands) were also analyzed and compared with the MS FE model, which proved to reproduce satisfactorily to the physiological and non-physiological conditions of those experimental tests. The IVD biomechanical behavioral is complex and dependent on multiple factors. The numerical simulations with the present MS FE model, using the home-developed open-source FE solver, demonstrated potential to biomimitize the IVD and thus contribute to the advance of the knowledge on its biomechanics.

A Doença Degenerativa dos Discos é um dos maiores problemas de saúde enfrentados a nível mundial, a nível de tempo de trabalho perdido e custos associados. Esta é a motivação para o desenvolvimento de um modelo biomimético de Elementos Finitos (EF) do Disco Intervertebral (DIV), que é uma estrutura multifásica e altamente heterogénea. Um grande número de trabalhos, experimentais e numéricos, estudou o DIV e provou que este apresenta comportamento osmo-poro-hiper-visco-elástico, com influência significativa do comportamento anisotrópico das fibras de colagénio. Os modelos poroelásticos do DIV têm sido frequentemente implementados em programas comerciais de EF, o que significa que o acesso ao algoritmo-fonte é circunscrito. Para obter uma aproximação mais flexível e rigorosa ao comportamento biomecânico do DIV, uma formulação poroelástica inovadora foi implementada num programa de EF de acesso livre, desenvolvido internamente. Esta formulação é descrita e validada ao longo do presente trabalho. As simulações numéricas foram quase totalmente dedicadas à análise do comportamento do DIV Humano não-degenerado, que se sabe ser fortemente dependente do factor tempo. Para esse feito, foi utilizado um modelo de EF geométrico correcto de um segmento móvel (SM) completo, construído com elementos quadráticos hexaédricos de 27 nós. Os resultados dos testes levados a cabo para análise do comportamento do DIV em termos de fluência ficaram dentro do espectro dos resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Foram, inclusivé, registadas melhorias notáveis em relação a alguns trabalhos que utilizaram ABAQUS®, um programa de EF comericalmente disponível. Foram também analisados dados experimentais não publicados dos parceiros de investigação da VUmc (Amesterdão, Holanda). A comparação com o modelo EF do SM demonstrou que este modelo reproduz satisfactoriamente as condições dos testes experimentais, sejam elas condições fisiológicas ou não-fisiológicas. O comportamento biomecânico do DIV é complexo e dependente de múltiplos factores. As simulações numéricas levadas a cabo com o modelo EF do SM, utilizando o programa de EF de acesso livre desenvolvido internamente, demonstraram potencial para biomimetizar o DIV e assim contribuir para o avanço do conhecimento da sua biomecânica.