Caratterizzazione meccanica della pelle plantare: prove sperimentali e analisi costitutiva

The study of the mechanical characteristics of the plantar skin has various applications both in the industrial field, such as investigating the interaction between the foot and biomedical devices (e.g., footwear or insoles), and in the clinical domain for diagnosing and monitoring pathologies affecting this anatomical area, such as diabetes, skin tumors, or infections. This paper aims to characterize the mechanical behavior of plantar skin through an experimental and constitutive modeling approach. Experimental tests were conducted at the Laboratory of Biological Tissue Mechanics at the University of Padua, using human samples from different subjects. The tests that were performed are: compression load-unload tests, uniaxial tensile tests until sample failure and stress-relaxation tests. The results revealed a nonlinear anisotropic behavior concerning both geometry and material, consistent with the current state of the art for this type of tissue. To describe these characteristics, a visco-hyperelastic fibrous-reinforced model was formulated. Constitutive parameters were determined through a hybrid stochastic and deterministic approach. The analytical model obtained was then used to simulate tensile tests at various angles and deformation speeds. The conducted study allowed for the development of a constitutive model suitable for interpreting the mechanical response of human plantar skin, which can be implemented in a finite element model of the foot.

Lo studio delle caratteristiche meccaniche della pelle plantare ha diverse applicazioni sia in ambito industriale come, ad esempio, nello studio dell'interazione tra il piede e strumenti biomedicali (calzature o solette); sia in ambito clinico nella diagnosi e il monitoraggio di patologie che colpiscono questo distretto anatomico come ad esempio il diabete, tumori della pelle o infezioni. Il presente elaborato è volto alla caratterizzazione del comportamento meccanico della pelle plantare mediante un approccio sperimentale e di modellazione costitutiva. Le prove sperimentali sono state effettuate presso il laboratorio di Meccanica dei Tessuti Biologici dell’Università degli studi di Padova, su campioni umani provenienti da diversi soggetti. Sono state svolte prove a compressione di carico-scarico, prove uniassiali a trazione fino a rottura del campione e prove di rilassamento delle tensioni sia a trazione che a compressione. I risultati hanno evidenziato un comportamento anisotropo non lineare per geometria e per materiale, in linea con lo stato dell’arte per questa tipologia di tessuto. Per descrivere queste caratteristiche è stato formulato un modello di tipo visco-iperelastico fibro-rinforzato. I parametri costitutivi sono stati ottenuti mediante un approccio ibrido deterministico e stocastico. Il modello analitico ottenuto è stato poi utilizzato per simulare prove di trazione a diverse angolazioni e a diverse velocità di deformazione. Lo studio effettuato ha permesso di ottenere un modello costitutivo adeguato a interpretare la risposta meccanica della pelle plantare umana che può essere implementato in un modello agli elementi finiti del piede.