腰椎间盘突出症是脊椎类疾病中最为多见的病症之一,也是引起腰腿痛最为主要的原因,给病人的生理和心理健康带来了严重威胁,同时也给当代社会带来了沉重负担。长期机械负荷或超额负载被认为是导致椎间盘退变的重要原因。由于腰椎间盘突出症的发生与其力学状态有着密切的关系,因此有必要深入研究椎间盘在生理载荷下的力学行为,为椎间盘突出症的预防和临床治疗提供理论依据,同时对椎间盘的力学性能评价和人工构建椎间盘具有重要意义。本课题从实验和仿真两个方面对动物腰椎间盘在生理载荷下的力学行为进行了研究。实验研究部分进行了动物腰椎节段的压缩实验和生理载荷下椎间盘上表面的应变场测量实验。在动物腰椎节段的压缩实验中得到了动物腰椎节段在压缩条件下的位移载荷曲线,曲线呈非线性;在生理载荷下椎间盘上表面的应变场测量实验中,采用数字图像相关技术研究了动物腰椎间盘在压缩和前屈载荷下椎间盘上表面的力学状态,实验结果显示,在前屈载荷下应变场出现一定的分布规律。仿真部分采用了逆向工程技术,基于CT扫描技术,结合3D图像生成及编辑处理软件Mimics、逆向工程软件Geomagic Studio、三维绘图软件Solid Works以及有限元分析软件ANSYS建立具有椎间盘的完整动物腰椎模型,其中的椎间盘包含纤维环基质、纤维环纤维、髄核及终板四个部分。然后对腰椎节段模型分布进行了在压缩、前屈、扭转三种生理载荷作用下的有限元分析,并将仿真结果和实验结果进行了对比,两项结果基本一致,证实了本研究中所建立的模型具有较高可行性,仿真结果具有参考价值。从有限元分析结果中可得出结论:在扭转载荷作用的条件下,椎间盘纤维环上出现了最大应力,可见扭转载荷最容易使纤维环发生破坏,引发椎间盘突出。同时从纤维环中纤维的受力状态可以看出:在扭转载荷作用时,纤维倾斜并互相交叉的生长方式对椎间盘起到了很好的保护作用。同样通过有限元仿真,研究了髄核和纤维对椎间盘整体力学性能的影响,结果表明:(1)纤维和髄核对模型都有一定影响,其中纤维的影响较为明显;(2)完整的椎间盘模型会大大缩小不同载荷条件下的应变数值;(3)三种模型中,扭转载荷对应变的影响最为明显。