合成多层自振式声带模型的制备

摘要

本文描述了合成声带模型的制备方法。这些模型为真人尺寸，可模拟人类声带的多层结构。实验结果表明，这些模型能够在与肺部压力相当的压力下自发振荡，并表现出与人类声带相似的流致振动响应。

摘要

人类发声是通过气流诱导的声带振动产生的。声带由多层组织构成，每层组织具有不同的材料特性¹。正常的发声依赖于健康的组织和声带，是空气动力学、结构动力学和声学等物理现象之间复杂耦合作用的结果。仅在美国，每年就有高达750万人受到嗓音障碍的影响²，常导致严重的经济负担、社会交往困难以及其他生活质量问题。深入理解发声的物理机制，有望显著促进嗓音健康事业的发展，包括嗓音障碍的临床预防、诊断和治疗。

研究嗓音产生的现有方法包括 体内 使用人类和动物受试者的实验 体外 利用离体喉部、合成模型和计算建模进行实验。由于器械进入具有危险性和困难性， 体内 实验的范围受到严重限制。离体喉实验虽具有解剖学和部分生理学上的真实性优势，但在涉及几何参数和材料属性变量的参数化研究方面仍受限。此外，这类实验通常只能维持相对较短的振动时间（通常仅为数分钟量级）。

克服离体喉实验的一些局限性，合成声带模型正成为研究发声机制的补充工具。通过系统性地改变几何结构和材料特性，可制备出用于研究健康与非健康人体发声气流动力学、结构动力学及声学特性的合成模型。例如，这些模型已被用于研究声带左右不对称性^3,4、临床器械开发⁵、喉部气流动力学^6-9、声带接触压力¹⁰以及声门下声学特性¹¹（更全面的列表可参见Kniesburges等人¹²）

然而，现有的合成声带模型要么是均质的（单层模型），要么是使用两种不同刚度的材料制成的（双层模型）。这种方法无法体现人类声带实际存在的多层结构¹，而这种多层结构在调控声带由气流诱发的振动响应中起着核心作用。因此，单层和双层合成声带模型表现出一些缺陷^3,6,8，例如起振压力高于人类发声的典型值（起振压力是指启动振动所需的最小肺压）、过大的上下方向运动，以及缺乏“黏膜波”（一种垂直传播的、具有健康人类声带振动特征的波动）。

本文描述了一种具有多层不同材料特性的模型的制备方法。该模型的各层模拟了人类声带的多层结构，包括上皮层、浅层固有层（SLP）、中层和深层固有层（即韧带；包含一条纤维以提供前后方向的刚度）以及肌肉层（即声带体层）¹。研究结果表明，与以往的单层和双层合成模型相比，该模型表现出更优的振动特性，包括起振压力更接近人类声带的起振压力、上下方向的运动减少，以及存在黏膜波的证据。

方案

制作流程（见图1）包括制作声带模型各层的模具，依次浇铸硅胶层，并将模型安装以进行测试。该模型包含四个不同的层次：肌体层、韧带层、浅表固有层和上皮层，此外还有一根单纤维。添加一层背衬层有助于将各层精确地定位到声带模型上。模型几何参数的定义如图2所示，当前模型的参数值见表1。在以下各节中，针对不同层次指定了不同的硅胶混合比例；这些比例可产生与文献报道的人体声带组织在小应变状态下的力学性能相似的材料特性¹³（见表2）。

1. 模具的制备与准备

1. 创建声带三层结构的实体模型：浅层疏松结缔组织层、韧带层和肌体层。通常通过使用三维计算机辅助设计（CAD）软件建立具有目标几何形状的模型，将CAD模型导出为立体光刻（STL）文件，并将STL文件发送至定制机械加工车间进行快速成型来完成。
2. 使用薄片状丙烯酸材料制作一个矩形模具框。近似尺寸（非关键）为高2.54 cm、宽5.72 cm、深6.35 cm。将模具框底部粘附于一块平整的丙烯酸平板上，并用真空润滑脂密封所有内侧接缝。
3. 在所需几何形状的实体模型（即肌体层、韧带层或浅层疏松结缔组织层）的侧面涂抹少量真空润滑脂。将模型带有润滑脂的一侧朝下压入模具框的型腔底部，使真空润滑脂固定模型位置。在模具框和实体模型表面充分喷涂脱模剂。使用....

讨论

这种合成声带模型的制备方法所得到的模型，其振动行为与人类声带相似。与以往的一层或两层模型设计相比，多层结构在降低起振压力、改善模型运动（如振荡期间的收敛-发散轮廓、类似黏膜波的运动以及减少的上下位移）方面具有显著优势^3,6,8,15。本文所展示的方法基于一种几何结构上相对理想化的模型，但该方法可适用于不同几何形状的模型。例如，可利用此方法制备基于人体成像几何数据（如MRI¹⁷、CT）的模型。此外，该制备工艺的理念还可应用于其他以流致振动和/或软材料多层结构为核心要素的研究领域，例如血管内血流研究、睡眠呼吸暂停以及动物运动（特别是游泳与飞行）等。

本文所述模型存在一些局限性，可能成为未来研究与开发的方向。该模型所用材料具有线性的应力-应变响应特性，未来预期的改进方向之一是引入非线性应力-应变材料。在制备过程中，也可使用生物材料替代合成材料。由于声韧带层具有极高的柔韧性，该模型在振动条件下的稳定性较之前的一层和两层模型有所降低。然而，只要将声门下压力控制在约 1 kPa 以下，并偶尔使用滑石粉以减少表面黏附，该模型通常可连续使用数天而其行为特.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高真空润滑脂	道康宁	01018817
Pol-Ease 2300	Polytek	Pol-Ease2300-1	脱模剂
Smooth-Sil 950	Smooth-On	Smooth-Sil 950	模具制作材料
真空泵	爱德华生命科学	E2M2
真空室	卡特尔	230
压力表	Marsh Bellofram	11308252A
直剃刀	哈士奇	008-045-HKY
Ecoflex 00-30	Smooth-On	Ecoflex 00-30
硅油稀释剂	Smooth-On	硅油稀释剂
龙皮	Smooth-On	Dragon Skin 10 FAST
线程	Omega Engineering, Inc.	OmegaCrys	仅使用透明的光纤
硅胶染料	Smooth-On	Silc 猪黑素
硅胶黏合剂	Smooth-On	Sil-Poxy
滑石粉	西方家庭