Tensile properties of the annulus fibrosus

Résumé

La première partie de cette étude a montré que les fibres de collagène ne doivent être en continuité pour renforcer l'anneau fibreux et que des échantillons d'annulus de 15 mm de largeur conservent environ 44% de leur rigidité in-situ et de leur résistance lorsqu'ils sont soumis à un étirement vertical. La seconde partie a exploré la limite de résistance à la tension (Ultimate Tensile Strength= UTS) et le comportement à la fatigue de tels échantillons. Des tranches verticales e disque de 5 mm d'épaisseur et de 30 mm de largeur ont été taillées à partir des bords latéraux de l'annulus et des corps vertébraux adjacents. Chaque tranche a été divisée sagittalement pour obtenir une paire d'échantillons identiques. Les extrémités osseuses de chaque tranche ont été fixées dans un appareil destiné à tester les matériaux de manière à ce que l'annulus puisse être étiré verticalement, comme cela se produit lors des mouvements de flexion du rachis dans la vie courante. L'un des deux échantillons de chaque paire a été étiré jusqu'à sa rupture pour déterminer sa limite de résistance à la tension (UTS); l'autre a été soumis à une charge cyclique égale à une fraction de l'UTS jusqu'à obtenir sa rupture. La rupture sous tension a commencé par l'arrachement du cartilage hyalin du plateau de l'os sous-jacent et s'est terminé par l'arrachement des fibres les plus périphériques de l'anneau hors de leur matrice. La résistance in-situ estimée dans le sens vertical était de 3,9 MPa pour la partie antérieure de l'annulus et de 8,6 MPa pour la partie postérieure de l'annulus. La rupture de fatigue pourrait survenir en moins de 10000 cycles si la force de tension venait à dépasser 45% de l'UTS. Ces résultats expliquent pourquoi les fissures radiaires manquent souvent de pénétrer la partie périphérique de l'anneau fibreux. Lorsqu'on les compare aux mesures, in vivo de la mise en charge rachidienne, nos résultats suggèrent que les mouvements répétés de flexion antérieure du rachis pourraient provoquer une rupture de fatigue de la partie postérieure de l'anneau fibreux.

Summary

Part I of this study showed that collagen fibres do need not need to be continuous to reinforce the annulus fibrosus, and that 15-mm-wide samples of annulus retain about 44% of their in situ stiffness and strength when stretched vertically. Part II investigated the ultimate tensile strength (UTS) and fatigue life of such samples. Vertical slices, 5 mm thick and 30 mm wide, were cut from the anterior and posterior margins of the annulus and adjacent vertebral bodies. Each slice was divided sagittally to obtain a matched pair of specimens. The bony ends of each specimen were secured in a materials testing machine so that the annulus could be stretched vertically, as occurs during bending movements of the spine in life. One of each pair of specimens was stretched to failure to obtain its UTS; the other was cyclically loaded at some fraction of the UTS until failure occurred. Tensile failure started with the hyaline cartilage end-plate being stripped off the underlying bone and ended with the most peripheral annular fibres pulling out of the matrix. The estimated in situ strength in the vertical direction was 3.9 MPa for the anterior annulus and 8.6 MPa for the posterior annulus. Fatigue failure could occur in less than 10000 cycles if the tensile force exceeded 45% of the UTS. The results explain why radial fissures often fail to penetrate the peripheral annulus. When compared with in vivo measurements of spinal loading, they suggest that repetitive forward bending movements could cause fatigue failure of the posterior annulus.