Design Requirements for Annulus Fibrosus Repair: Review of Forces, Displacements, and Material Properties of the Intervertebral Disk and a Summary of Candidate Hydrogels for Repair
- PMID: 26720265
- PMCID: PMC4844119
- DOI: 10.1115/1.4032353
Design Requirements for Annulus Fibrosus Repair: Review of Forces, Displacements, and Material Properties of the Intervertebral Disk and a Summary of Candidate Hydrogels for Repair
Abstract
There is currently a lack of clinically available solutions to restore functionality to the intervertebral disk (IVD) following herniation injury to the annulus fibrosus (AF). Microdiscectomy is a commonly performed surgical procedure to alleviate pain caused by herniation; however, AF defects remain and can lead to accelerated degeneration and painful conditions. Currently available AF closure techniques do not restore mechanical functionality or promote tissue regeneration, and have risk of reherniation. This review determined quantitative design requirements for AF repair materials and summarized currently available hydrogels capable of meeting these design requirements by using a series of systematic PubMed database searches to yield 1500+ papers that were screened and analyzed for relevance to human lumbar in vivo measurements, motion segment behaviors, and tissue level properties. We propose a testing paradigm involving screening tests as well as more involved in situ and in vivo validation tests to efficiently identify promising biomaterials for AF repair. We suggest that successful materials must have high adhesion strength (∼0.2 MPa), match as many AF material properties as possible (e.g., approximately 1 MPa, 0. 3 MPa, and 30 MPa for compressive, shear, and tensile moduli, respectively), and have high tensile failure strain (∼65%) to advance to in situ and in vivo validation tests. While many biomaterials exist for AF repair, few undergo extensive mechanical characterization. A few hydrogels show promise for AF repair since they can match at least one material property of the AF while also adhering to AF tissue and are capable of easy implantation during surgical procedures to warrant additional optimization and validation.
Figures
References
-
- Vos, T. , Flaxman, A. D. , Naghavi, M. , Lozano, R. , Michaud, C. , Ezzati, M. , Shibuya, K. , Salomon, J. A. , Abdalla, S. , Aboyans, V. , Abraham, J. , Ackerman, I. , Aggarwal, R. , Ahn, S. Y. , Ali, M. K. , AlMazroa, M. A. , Alvarado, M. , Anderson, H. R. , Anderson, L. M. , Andrews, K. G. , Atkinson, C. , Baddour, L. M. , Bahalim, A. N. , Barker-Collo, S. , Barrero, L. H. , Bartels, D. H. , Basáñez, M.-G. , Baxter, A. , Bell, M. L. , Benjamin, E. J. , Bennett, D. , Bernabé, E. , Bhalla, K. , Bhandari, B. , Bikbov, B. , Abdulhak, A. B. , Birbeck, G. , Black, J. A. , Blencowe, H. , Blore, J. D. , Blyth, F. , Bolliger, I. , Bonaventure, A. , Boufous, S. , Bourne, R. , Boussinesq, M. , Braithwaite, T. , Brayne, C. , Bridgett, L. , Brooker, S. , Brooks, P. , Brugha, T. S. , Bryan-Hancock, C. , Bucello, C. , Buchbinder, R. , Buckle, G. , Budke, C. M. , Burch, M. , Burney, P. , Burstein, R. , Calabria, B. , Campbell, B. , Canter, C. E. , Carabin, H. , Carapetis, J. , Carmona, L. , Cella, C. , Charlson, F. , Chen, H. , Cheng, A. T.-A. , Chou, D. , Chugh, S. S. , Coffeng, L. E. , Colan, S. D. , Colquhoun, S. , Colson, K. E. , Condon, J. , Connor, M. D. , Cooper, L. T. , Corriere, M. , Cortinovis, M. , Courville de Vaccaro, K. , Couser, W. , Cowie, B. C. , Criqui, M. H. , Cross, M. , Dabhadkar, K. C. , Dahiya, M. , Dahodwala, N. , Damsere-Derry, J. , Danaei, G. , Davis, A. , De Leo, D. , Degenhardt, L. , Dellavalle, R. , Delossantos, A. , Denenberg, J. , Derrett, S. , Des Jarlais, D. C. , Dharmaratne, S. D. , Dherani, M. , Diaz-Torne, C. , Dolk, H. , Dorsey, E. R. , Driscoll, T. , Duber, H. , Ebel, B. , Edmond, K. , Elbaz, A. , Eltahir Ali, S. , Erskine, H. , Erwin, P. J. , Espindola, P. , Ewoigbokhan, S. E. , Farzadfar, F. , Feigin, V. , Felson, D. T. , Ferrari, A. , Ferri, C. P. , Fèvre, E. M. , Finucane, M. M. , Flaxman, S. , Flood, L. , Foreman, K. , Forouzanfar, M. H. , Fowkes, F. G. R. , Franklin, R. , Fransen, M. , Freeman, M. K. , Gabbe, B. J. , Gabriel, S. E. , Gakidou, E. , Ganatra, H. A. , Garcia, B. , Gaspari, F. , Gillum, R. F. , Gmel, G. , Gosselin, R. , Grainger, R. , Groeger, J. , Guillemin, F. , Gunnell, D. , Gupta, R. , Haagsma, J. , Hagan, H. , Halasa, Y. A. , Hall, W. , Haring, D. , Haro, J. M. , Harrison, J. E. , Havmoeller, R. , Hay, R. J. , Higashi, H. , Hill, C. , Hoen, B. , Hoffman, H. , Hotez, P. J. , Hoy, D. , Huang, J. J. , Ibeanusi, S. E. , Jacobsen, K. H. , James, S. L. , Jarvis, D. , Jasrasaria, R. , Jayaraman, S. , Johns, N. , Jonas, J. B. , Karthikeyan, G. , Kassebaum, N. , Kawakami, N. , Keren, A. , Khoo, J.-P. , King, C. H. , Knowlton, L. M. , Kobusingye, O. , Koranteng, A. , Krishnamurthi, R. , Lalloo, R. , Laslett, L. L. , Lathlean, T. , Leasher, J. L. , Lee, Y. Y. , Leigh, J. , Lim, S. S. , Limb, E. , Lin, J. K. , Lipnick, M. , Lipshultz, S. E. , Liu, W. , Loane, M. , Lockett Ohno, S. , Lyons, R. , Ma, J. , Mabweijano, J. , MacIntyre, M. F. , Malekzadeh, R. , Mallinger, L. , Manivannan, S. , Marcenes, W. , March, L. , Margolis, D. J. , Marks, G. B. , Marks, R. , Matsumori, A. , Matzopoulos, R. , Mayosi, B. M. , McAnulty, J. H. , McDermott, M. M. , McGill, N. , McGrath, J. , Medina-Mora, M. E. , Meltzer, M. , Memish, Z. A. , Mensah, G. A. , Merriman, T. R. , Meyer, A.-C. , Miglioli, V. , Miller, M. , Miller, T. R. , Mitchell, P. B. , Mocumbi, A. O. , Moffitt, T. E. , Mokdad, A. A. , Monasta, L. , Montico, M. , Moradi-Lakeh, M. , Moran, A. , Morawska, L. , Mori, R. , Murdoch, M. E. , Mwaniki, M. K. , Naidoo, K. , Nair, M. N. , Naldi, L. , Narayan, K. M. V. , Nelson, P. K. , Nelson, R. G. , Nevitt, M. C. , Newton, C. R. , Nolte, S. , Norman, P. , Norman, R. , O' Donnell, M. , O' Hanlon, S. , Olives, C. , Omer, S. B. , Ortblad, K. , Osborne, R. , Ozgediz, D. , Page, A. , Pahari, B. , Pandian, J. D. , Panozo Rivero, A. , Patten, S. B. , Pearce, N. , Perez Padilla, R. , Perez-Ruiz, F. , Perico, N. , Pesudovs, K. , Phillips, D. , Phillips, M. R. , Pierce, K. , Pion, S. , Polanczyk, G. V. , Polinder, S. , Pope III, C. A. , Popova, S. , Porrini, E. , Pourmalek, F. , Prince, M. , Pullan, R. L. , Ramaiah, K. D. , Ranganathan, D. , Razavi, H. , Regan, M. , Rehm, J. T. , Rein, D. B. , Remuzzi, G. , Richardson, K. , Rivara, F. P. , Roberts, T. , Robinson, C. , Rodriguez De Leòn, F. , Ronfani, L. , Room, R. , Rosenfeld, L. C. , Rushton, L. , Sacco, R. L. , Saha, S. , Sampson, U. , Sanchez-Riera, L. , Sanman, E. , Schwebel, D. C. , Scott, J. G. , Segui-Gomez, M. , Shahraz, S. , Shepard, D. S. , Shin, H. , Shivakoti, R. , Silberberg, D. , Singh, D. , Singh, G. M. , Singh, J. A. , Singleton, J. , Sleet, D. A. , Sliwa, K. , Smith, E. , Smith, J. L. , Stapelberg, N. J. C. , Steer, A. , Steiner, T. , Stolk, W. A. , Stovner, L. J. , Sudfeld, C. , Syed, S. , Tamburlini, G. , Tavakkoli, M. , Taylor, H. R. , Taylor, J. A. , Taylor, W. J. , Thomas, B. , Thomson, W. M. , Thurston, G. D. , Tleyjeh, I. M. , Tonelli, M. , Towbin, J. A. , Truelsen, T. , Tsilimbaris, M. K. , Ubeda, C. , Undurraga, E. A. , van der Werf, M. J. , van Os, J. , Vavilala, M. S. , Venketasubramanian, N. , Wang, M. , Wang, W. , Watt, K. , Weatherall, D. J. , Weinstock, M. A. , Weintraub, R. , Weisskopf, M. G. , Weissman, M. M. , White, R. A. , Whiteford, H. , Wiersma, S. T. , Wilkinson, J. D. , Williams, H. C. , Williams, S. R. M. , Witt, E. , Wolfe, F. , Woolf, A. D. , Wulf, S. , Yeh, P.-H. , Zaidi, A. K. M. , Zheng, Z.-J. , Zonies, D. , Lopez, A. D. , and Murray, C. J. L. , 2012, “ Years Lived With Disability (YLDs) for 1160 Sequelae of 289 Diseases and Injuries 1990–2010: A Systematic Analysis for the Global Burden of Disease Study 2010,” Lancet, 380(9859), pp. 2163–2196. 10.1016/S0140-6736(12)61729-2 - DOI - PMC - PubMed
-
- March, L. , Smith, E. U. R. , Hoy, D. G. , Cross, M. J. , Sanchez-Riera, L. , Blyth, F. , Buchbinder, R. , Vos, T. , and Woolf, A. D. , 2014, “ Burden of Disability Due to Musculoskeletal (MSK) Disorders,” Best Pract. Res. Clin. Rheumatol., 28(3), pp. 353–366. 10.1016/j.berh.2014.08.002 - DOI - PubMed
-
- Weinstein, J. N. , Lurie, J. D. , Tosteson, T. D. , Skinner, J. S. , Hanscom, B. , Tosteson, A. N. A. , Herkowitz, H. , Fischgrund, J. , Cammisa, F. P. , Albert, T. , and Deyo, R. A. , 2006, “ Surgical versus Nonoperative Treatment for Lumbar Disk Herniation: The Spine Patient Outcomes Research Trial (SPORT) Observational Cohort,” JAMA, 296(20), pp. 2451–2459. 10.1001/jama.296.20.2451 - DOI - PMC - PubMed
-
- Weinstein, J. N. , Lurie, J. D. , Tosteson, T. D. , Tosteson, A. N. A. , Blood, E. A. , Abdu, W. A. , Herkowitz, H. , Hilibrand, A. , Albert, T. , and Fischgrund, J. , 2008, “ Surgical Versus Nonoperative Treatment for Lumbar Disc Herniation: Four-Year Results for the Spine Patient Outcomes Research Trial (SPORT),” Spine, 33(25), pp. 2789–2800. 10.1097/BRS.0b013e31818ed8f4 - DOI - PMC - PubMed
-
- Asch, H. L. , Lewis, P. J. , Moreland, D. B. , Egnatchik, J. G. , Yu, Y. J. , Clabeaux, D. E. , and Hyland, A. H. , 2002, “ Prospective Multiple Outcomes Study of Outpatient Lumbar Microdiscectomy: Should 75 to 80% Success Rates be the Norm?,” J. Neurosurg., 96(1 Suppl.), pp. 34–44. 10.3171/spi.2002.96.1.0034 - DOI - PubMed
Publication types
MeSH terms
Substances
Grants and funding
LinkOut - more resources
Full Text Sources
Other Literature Sources
