Mechanical evaluation of 3D-printed above-knee prosthetic sockets using a biofidelic hyperelastic silicone limb surrogate.

چکیده اصلی

Rigid limb surrogates transfer full mechanical loads directly to the prosthetic socket during structural testing, causing premature distal failure and underestimating of actual load capacity. In contrast, soft-compliant surrogates buffer applied loads and enables realistic structural deformation. This study investigates: (i) the influence of rigid Plaster of Paris (PoP) versus biofidelic hyperelastic silicone surrogates on the structural load capacity of 3D-printed transfemoral prosthetic sockets; and (ii) orientation-dependent structural deformation and failure behaviors arising from asymmetric transfemoral anatomy. Sockets encapsulated with PoP and silicone surrogates were evaluated under ((ISO 10328:2016) 2016 Prosthetics-Structural testing of lower-limb prostheses-Requirements and test methods (International Organization for Standardization)) static loading (Condition II) at two loading alignments: toe-off and toe-towards-lateral (90° laterally rotated) configurations. Initial testing with 3D-printed bespoke commercial (BC) connectors induced premature distal connector failure; however, under toe-towards-lateral loading, socket/silicone assemblies exhibited a 4.47-fold greater displacement and a 72.46% higher ultimate force than socket/PoP assemblies. Sockets with an enlarged BC connector encapsulated in the silicone surrogate showed distinct force-displacement hysteresis loops under toe-towards-lateral loading, indicating energy dissipation. Crucially, enlarging the BC connector shifted the failure site from interlayer delamination at the distal end under toe-off to trans-layer fracture across the lateral socket wall. Conversely, socket/PoP assemblies consistently failed at the enlarged BC distal connector regardless of loading orientation. Finite element analysis confirmed non-compliant, uniform contact pressure in socket/PoP assemblies, whereas the silicone surrogate produced compliant pressure gradients. Loading orientation significantly affected the structural deformation (p< 0.05) of socket/silicone assemblies: toe-towards-lateral loading induced two-fold greater deformation and an 18.95% higher ultimate force than under toe-off loading due to the thicker lateral silicone resulting from asymmetric limb geometry. These findings demonstrate that a biofidelic hyperelastic surrogate buffers stress and redistributes contact pressure similar to biological soft tissue, establishing a more accurate pre-clinical framework for evaluating 3D-printed prosthetic socket strength.

ترجمه فارسی چکیده

سوژه‌های لاغر بار کامل مکانیکی را مستقیماً به کفشک پروتز منتقل می‌کنند که منجر به شکست زودرس و تخمین پایین ظرفیت بار می‌شود. در مقابل، سوژه‌های نرم و هم‌وفق بارها را فیلتر کرده و تغییرات ساختاری واقع‌گرایانه را امکان‌پذیر می‌کنند. این مطالعه بررسی می‌کند: (الف) تأثیر گچ (PoP) نسبت به جسم مصنوعی سیلیکون هیپرالاستیک بر ظرفیت بار ساختاری کفشک‌های پروتز بالای زانو چاپ‌شده؛ و (ب) رفتارهای تغییر شکل و شکست وابسته به جهت‌گیری ناشی از آناتومی نامتقارن بالای زانو. کفشک‌های محصور شده با گچ و سیلیکون تحت بارگذاری ایستا (شرط II) طبق استاندارد ISO 10328:2016 در دو جهت‌گیری بارگذاری: خروج انگشت پا و انگشت به سمت جانبی (چرخش ۹۰ درجه به سمت جانبی) ارزیابی شدند. در بارگذاری انگشت به سمت جانبی، مجموعه‌های کفشک/سیلیکون ۴.۴۷ برابر بیشتر جابجا شدند و نیروی نهایی ۷۲.۴۶٪ بالاتری نسبت به مجموعه‌های کفشک/گچ داشتند. کفشک‌ها با اتصال‌دهنده تجاری بزرگ‌شده در سوژه سیلیکون، حلقه‌های هیس‌تزیس نیرو-جابجایی متمایزی نشان دادند که نشان‌دهنده جذب انرژی است. بزرگ کردن اتصال‌دهنده BC محل شکست را از لایه‌چینی در انتهای پایین در خروج انگشت پا به شکست لایه‌چینی در دیواره جانبی کفشک تغییر داد. تحلیل المان محدود نشان داد که فشار تماس در مجموعه‌های کفشک/گچ غیرقابل انطباق و یکنواخت است، در حالی که سوژه سیلیکون فشار تماس قابل انطباق ایجاد می‌کند. جهت‌گیری بارگذاری تأثیر معنی‌داری بر تغییر شکل ساختاری (p<0.05) داشت: بارگذاری انگشت به سمت جانبی دو برابر بیشتر تغییر شکل و ۱۸.۹۵٪ نیروی نهایی بالاتری نسبت به خروج انگشت پا ایجاد کرد. این یافته‌ها نشان می‌دهند که جسم مصنوعی نرم و هم‌وفق استرس را فیلتر کرده و فشار تماس را مانند بافت نرم زیستی بازتوزیع می‌کند و یک چارچوب پیش‌بالینی دقیق‌تر برای ارزیابی استحکام کفشک‌های پروتز چاپ‌شده ایجاد می‌کند.

متن کامل اصلی