סינטטי, רב שכבתיים, עצמי מתנודדת ווקאלי דגם Fold ייצור
2 בדצמבר 2011
המתודולוגיה בודה מודלים סינתטיים לקפל ווקאלית מתואר. הדגמים הם בגודל טבעי ו לחקות את המבנה רב שכבתיים של קפלי הקול האנושי. תוצאות מראים המודלים עצמית להתנדנד בלחצים דומים הלחץ הריאות להדגים זרימת המושרה התגובות התנודה כי הם דומים לאלה של קפלי הקול האנושי.
המטרה הכללית של הליך זה היא לתאר ולהדגים את הייצור של מודל סינתטי רב-שכבתי של מיתר קול בעל תנודות עצמיות. ראשית, נוצרים דגמי חיוביים בטכניקת אב-טיפוס מהיר מדגמים ממוחשבים תלת-ממדיים. לאחר מכן, נבנים תבניות שליליות מהאבות-טיפוס המהירים.
לבסוף, כל שכבה של מודל מיתרי הקול מוטבעת, כולל הגוף, הרצועה עם הסיב במרכזה, ה-lamina propria השטחית והאפיתל. בסופו של דבר, מהשוואת הלחץ התת-גלוטי (sub glottal pressure), תדר הרטט, קצב הזרימה הגלוטי ותנועת המשטח המדיאלי, התוצאות מראות כי מודלים סינתטיים רב-שכבתיים של מיתרי הקול מציגים מאפייני תגובה המושרים על ידי זרימה הדומים לאלה של רטט מיתרי קול אנושיים. היתרון המרכזי של מודלים אלה על פני מודלים רב-שכבתיים קיימים, כגון מודל דו-שכבתי, הוא שמבנם של מודלים רב-שכבתיים אלה דומה יותר למבנם של מיתרי הקול האנושיים, מה שהופך אותם למתאימים יותר למחקר על הפקת קול.
ראשית, צרו מודלים מוצקים של שלוש שכבות של מיתרי הקול: רצועת ה-Lamin propria השטחית ושכבות הגוף. פעולה זו מבוצעת בדרך כלל על ידי יצירת מודלים תלת-ממדיים בתכנון ממוחשב (CAD) עם הגאומטריות הרצויות, ייצוא מודלי ה-CAD כקבצי סטריאוליתוגרפיה או קבצי STL, ושליחת קבצי ה-STL למסוף ייצור מותאם אישית לאבטיפוס מהיר.
בנו תבנית בצורת קופסה באמצעות חתיכות דקות של חומר אקרילי. חתכו את החומר למימדים הרצויים. צרו את תחתית התבנית על ידי הדבקתה ללוח אקרילי שטוח באמצעות גריז ואקום.
מרחו כמות קטנה של גריז ואקום בצד הלטרלי של המודל המוצק של הגאומטריה הרצויה. לחצו את המודל אל תחתית חלל התבנית, כאשר צד גריז הוואקום פונה כלפי מטה, כך שגריז הוואקום יחזיק את החלק במקומו. מרחו בנדיבות חומר שחרור על התבנית ועל המודל המוצק באמצעות מכחול, וודאו שחומר השחרור מגיע לכל פינות חלל התבנית.
ערבב יחד 10 חלקים של רכיב A וחלק אחד של רכיב B של גומי סיליקון פלטינום smooth cell, nine 50 בתוך מיכל שיאפשר התרחבות של נפח המוצר במהלך השאיבה. כדי להסיר בועות אוויר, הנח את המיכל בתא ואקום והפחת את הלחץ לכ-26 inches of mercury מתחת ללחץ האטמוספרי למשך כשלוש דקות. הוצא את סיליקון ה-DGAs מהתא ושפוך אותו לתוך חלל של תבנית יציקה.
הניחו זאת שוב בתא הוואקום וב-DGAs. הוציאו את התבנית מתא הוואקום והניחו אותה על משטח מאוזן. הניחו לה להתקשות במשך 24 שעות. לאחר שהגומי התקשח, הוציאו את התבנית מהתבנית המקוריאית.
חזור על תהליך זה כדי ליצור תבניות עבור כל אחת מהגיאומטריות האחרות של המודל המוצק. לאחר יצירת כל התבניות, חתוך את התבנית של שכבת הרצוע (ligament layer) במרכז הפני השטחי (medial surface) בכיוון הקדמי-אחורי (anterior posterior) באמצעות תער, כדי לאפשר החדרת סיבים ליציקת שכבת הגוף (body layer). ראשית, מרח שכבה דקה של חומר מסיר (release agent) על חלל תבנית הגוף בעזרת מברשת.
ערבבו יחד חלק אחד של B וחלק אחד של A של סיליקון פלטינום רך במיוחד מסוג eFlex 0 0 30. לאחר מכן, הוסיפו חלק אחד של מדליל סיליקון כדי להפחית את הקשיחות הסופית של החומר לאחר ההקשחה. ערבבו במשך 30 שניות ולאחר מכן הניחו את התערובת בתא ואקום למשך דקה אחת.
כדי להוציא אוויר כלוא, הוצא את התערובת מהוואקום ושפוך אותה לחלל תבנית הגוף, אך אל תמלא עד למעלה. הנח את התבנית בתנור שחומם מראש ל-200 degrees Fahrenheit למשך 30 דקות. לאחר האפייה, הוצא את התבנית מהתנור והקר אותה.
בשלב הבא, הכינו את מודל התמיכה של הגוף על ידי ערבוב חלק אחד של רכיב B וחלק אחד של רכיב A של dragon skin. הוסיפו חלק אחד של מדלל סיליקון וערבבו בעוצמה במשך 30 שניות. לאחר הסרת בועות אוויר באמצעות ואקום, שפכו את התערובת אל תוך חלל תבנית הגוף עד למילוי מלא.
הניחו את התבנית בתנור בטמפרטורה של 200 degrees Fahrenheit למשך 30 דקות. לאחר הקירור, הוציאו את המודל מהתבנית. לאחר מכן, הסירו בעזרת נייר סופג כל שארית של חומר שחרור מפני השטח של שכבת הגוף.
ליציקת שכבת הרצועה, מרחו שכבה דקה של חומר מפריד על פני השטח של חלל תבנית הרצועה באמצעות מברשת צבע. הניחו חוט באורך 30 סנטימטר בתבנית על ידי דחיפתו באופן יסודי לתוך החתך שבוצע באמצעות התער הטיפש. ערבבו חלק אחד של B וחלק אחד של A של eco Lex 0, 0 30, וארבעה חלקים של מדלל סיליקון.
הניחו את התערובת בתא הוואקום כדי להוציא בועות אוויר, ולאחר מכן שפכו את התערובת לחלל התבנית של הרצועה. לחצו את דגם תמיכת הגוף אל תוך חלל התבנית של הרצועה. התחילו את ההחדרה מצד אחד והזיזו בעדינות לצד השני, כך שהדגם ידחף את הסיליקון שטרם התקשח ואת בועות האוויר העודפות אל מחוץ לחלל התבנית.
לאחר אפייה של 30 דקות, צננו את התבנית והוציאו את המודל. נגבו שאריות של חומר הפרדה באמצעות נייר סופג. כדי ליצוק את שכבת ה-Lamin propria השטחית (SLP), מרחו שכבה דקה של חומר הפרדה על פני חלל תבנית ה-SLP בעזרת מברשת צבע.
ערבבו לפי משקל חלק אחד של B, חלק אחד של A של eco flex, 0 0 30 ושמונה חלקים של מדלל סיליקון תחת ואקום, ומסכו את התערובת לתוך חלל התבנית. הכניסו את דגם התמיכה של גוף הרצועה לתוך חלל תבנית ה-SLP. לאחר אפייה בטמפרטורה של 200 מעלות פרנהייט למשך שעה וקירור, הוציאו את הדגם באיטיות ובזהירות רבה כדי שה-superficial Lamin propria תישאר שלמה. לבסוף, עבור שכבת האפיתליום, הניחו את דגם מיתר הקול על משטח שטוח כאשר התמיכה פונה כלפי מטה והסירו את חומר התמיכה באמצעות תער.
תלה את החוטים באוויר על ידי חיבורם לאובייקט הגבוה יותר מהדגם. לאחר ערבוב של חלק אחד של B וחלק אחד של A של dragon skin עם חלק אחד של מדלל סיליקון (silicone thinner) וביצוע ואקום, שפוך את התערובת על הדגם והמתן לשעה אחת להתקשחות. חזור על התהליך כדי ליצור שכבה עבה יותר, ולאחר שהדגם התקשח לחלוטין, הסר חומרים עודפים באמצעות סכין גילוח. הצמד כל דגם מוגמר של מיתר קול ללוחית עיגון אקרילית על ידי מריחה תחילה של שכבה דקה של דבק סיליקון על המשטחים הצדיים (lateral) והקדמיים-אחוריים (anterior posterior) של הדגם.
הכנס את הדגם לתוך החריץ השקוע של לוחית העיגון והצב את המשטח המדיאלי של הדגם בקו אחד עם החלק העליון של לוחית האקריל. נקה שאריות דבק עודפות והמתן להתייבש הדבק. במשך שעה אחת, גרפף אבקת טלק על פני השטח של הדגם כדי להפחית את הדביקות למען מעקב אחר המשטח המדיאלי.
השתמשו בטוש שארפי (Sharpie) בעל חוד דק כדי לסמן נקודות על הדגם. לאחר מריחת הטלק, הכניסו ברגים ארוכים דרך החורי של לוחית העיגון, כאשר הקצוות המוברגים פונים כלפי הדגם שאליו יוצמד הדגם הקיים. הניחו את ההברגות מעל הברגים והניחו ספוג תאים סגורים מעל הברגים כדי לסגור את כל מרווחי האוויר.
צמדו את הדגם שהוכן לדגם מיתר קולי נוסף שהורכב באופן דומה למחזיק אקרילי. הדקו את הברגים כדי לדחוס את הספוג ולהקרב את המשטחים המדיאליים זה לזה עד להגעה למרווח הטרום-רטט הרצוי. ודאו ששני סטים של הברגות מונחים על הבולטים ובולטים החוצה מהלוחות האקריליים בכיוון הקדמי-אחורי, ולאחר מכן הרכיבו את זוג מיתרי הקול על צינור אספקת אוויר.
קשרו את החוטים הקדמיים יחד ליצירת לולאה, ולאחריה את החוטים האחוריים, תלו את המשקל הרצוי על הלולאה בו-זמנית והמשיכו לבדיקה ולאיסוף נתונים. בשימוש במודל המיוצר עם מתיחות של כ-31 גרם המופעלת על הסיבים, לחץ התחלת הפעילות (onset pressure) היה 400 pascals בלחץ תת-גלוטי של 10% מעל לחץ התחלת הפעילות. המודל רטט בתדר של 115 hertz עם קצב זרימה גלוטי של 210 milliliters per second.
ערכים אלו תואמים היטב לערכים שדווחו עבור בני אדם. הקלטות וידאו במהירות גבוהה של המודל הרוטט הראו כי הוא נע בתנועה חיונית יותר מאשר מודלים קודמים בעלי שתי שכבות. לצורך השוואה.
בסרטון זה של המשטח העליון של מודל דו-שכבתי, לא נצפה גל רירי ופרופיל הגלוטיס נראה כבעל נטייה בעיקר לפיזור (divergent) לאורך המחזור. מגבלה זו של מודלים דו-שכבתיים ניתנת לצפייה טובה יותר בהקלטות וידאו במהירות גבוהה של המודל הדו-שכבתי בתצורת Hemi larynx. נבחן כעת הקלטות במהירות גבוהה של המבט העליון של המודל הרב-שכבתי החדש.
ניתן לראות עדות לגלי רירית (mucosal wave), ופרופיל המיתרים הקוליים (glottis) אינו נראה עוד כגבולי (divergent) לאורך כל המחזור. וידאוגרמה מההקלטה במהירות גבוהה של המבט העליון של מודל הרב-שכבתי החדש חושפת עדות להבדל פאזה בין השוליים העליונים לתחתונים. השוליים העליונים מסתירים את השוליים התחתונים במהלך שלב הפתיחה של תקופת הרעידה.
סרטון במהירות גבוהה של מודל הרב-שכבתי החדש בתצורת גרון חצי-סגור (Hemi larynx) מספק ראיות חזקות יותר לגלי הרירית ולתנועה מתחלפת של התכנסות והתרחבות (convergent divergent motion) המאפיינת את מיתרי הקול האנושיים. מסלולי רעידה שהופקו מתמונות סטריאופוניות של נקודות שהוצמדו למשטחים המדיאליים והתחתונים של מודל מיתרי הקול. הדגם מראה פרופיל מתחלף של התכנסות והתרחבות האופייני לפונציה קולית אנושית.
הנקודות מסומנות באותיות A עד F, החל מהנקודה הנמוכה ביותר. הגרף השמאלי מציג גלוטיס (מפתח הגרון) קונברגנטי (מתכנס) במהלך שלב הפתיחה, והגרף הימני מציג גלוטיס דיברגנטי (מתבדר) במהלך שלב הסגירה. שיטה זו לייצור מודלים סינתטיים של מיתרי קול מניבה מודלים המפגינים התנהגות רטטית הדומה לזו של מיתרי קול אנושיים.
קונספט הרב-שכבות מביא ליתרונות משמעותיים על פני תכנוני מודלים קודמים בעלי שכבה אחת או שתי שכבות, במונחים של הפחתת זמן התחלה (onset) ושיפור תנועת המודל. בעת ביצוע הליך זה, חשוב להשתמש רק בכמות הנדרשת של חומרי שחרור, כדי שהשכבות יידבקו זו לזו כראוי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר את הייצור של מודלים סינתטיים רב-שכבתיים של מיתרי קול המדמים את מבנה מיתרי הקול האנושיים. המודלים תוכננו לתנודה עצמית תחת לחצים דומים לאלו שנמצאים בריאות האדם, ובכך הם מדגימים תגובות רטט דומות להתנהגות טבעית של מיתרי קול.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- מחקר על הפקת קול
רקע
- מיתרי הקול ממלאים תפקיד מכריע בהפקת הקול.
- לדגמים קיימים חסרה לעיתים קרובות המורכבות של מבנה מיתרי הקול האנושיים.
- מודלים רב-שכבתיים יכולים לספק תובנות טובות יותר לגבי הדינמיקה של מיתרי הקול.
- תנודה עצמית במודלים סינתטיים יכולה לחקות את התנהגות מיתרי הקול האנושיים.
מטרת המחקר
- ליצור מודל סינתטי של מיתרי קול המייצג באופן מדויק את שכבות מיתרי הקול האנושיים.
- להשוות בין המאפיינים הרטטיים של המודל הסינתטי לבין אלו של מיתרי קול אנושיים.
- להגביר את הישימות של מודלים סינתטיים במחקר קול.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירת אבות-טיפוס חיוביים מהירים מדגמים ממוחשבים בתלת-ממד.
- פיתוח תבניות שליליות מאבות-הטיפוסים.
- יציקה של כל שכבה במודל של מיתר הקול, כולל הגוף, הרצועה והאפיתל.
- מדידת הלחץ התת-גלוטי, תדר הרטט וקצב הזרימה הגלוטי.
תוצאות עיקריות
- המודלים הסינתטיים הפגינו תנודות עצמיות (self-oscillation) ברמות לחץ של הריאות.
- התגובות הרטטניות היו דומות לאלו של מיתרי קול אנושיים.
- תגובות מושראות-זרימה תאמו לאלו שנצפו ברטט טבעי של מיתרי הקול.
- המבנה רב-השכבתי שיפר את הרלוונטיות של המודל למחקרי הפקת קול.
מסקנות
- מודלים סינתטיים של מיתרי קול יעילים לחקר הפקת הקול.
- מודלים אלו מספקים קירוב מדויק יותר לדינמיקה של מיתרי קול אנושיים.
- מחקרים עתידיים יכולים להשתמש במודלים אלו למחקרים קוליים מתקדמים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מודלים סינתטיים של מיתרי קול המשחזרים את שכבות הרקמה האנושית מאפשרים הערכה פרה-קלינית רלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית של כלים אבחנתיים וטיפולים קוליים. באמצעות שיפור לחץ ההתחלה (onset pressure) והדיוק התנודתי, מודלים אלו מפחיתים עמימות ביולוגית בשלבים מוקדמים של תיקוף מטרות לטיפול בהפרעות גרון. דבר זה תומך בביטחון חיזויי בזיהוי מועמדים מובילים ובמיון פורטפוליו עבור אינדיקציות נשימתיות ונוירו-שריריות המשפיעות על הפונציה הקולית.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות המכוונות לביומכניקה של מיתרי הקול ולהפצת גל הרירית.
- ערך תפעולי: מספק מערכת הניתנת לשחזור להערכת המעורבות של המטרה (target engagement) תחת תנאים של תנודה מושרית-זרימה.
- ערך אסטרטגי: תומך בהחלטות של המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) באמצעות מידול תגובה רטטית דמוית-אנוש להתערבויות פרמקולוגיות או מכניות.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: מספק מדדים כמותיים התלויים בשכבות, כגון קצב זרימה גלוטלית ותנועת פני השטח המדיאליים, לצורך סריקת תרכובות.
- ערך תפעולי: מאפשר בדיקות רעידה סטנדרטיות וניתנות לחזרה על פני מספר איטרציות של מודלים עם תכונות חומרים מבוקרות.
- ערך אסטרטגי: מקדם מוכנות של הבדיקה להערכה בקיבולת גבוהה (high-throughput) של תרכובות המשפיעות על קשיחות או צמיגות מיתרי הקול.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מדמה שינויים מבניים רלוונטיים למחלה על ידי מתן אפשרות לווריאציה סיסטמטית בתכונות של האפיתל, הרצועות ושכבות הגוף.
- ערך תפעולי: מגשר בין שלבי הגילוי לתהליכי העבודה הפרה-קליניים באמצעות התנהגות של תנודה עצמית תחת לחצים סוב-גלוטיים פיזיולוגיים.
- ערך אסטרטגי: מסייע בקבלת החלטות על קידום מותאם סיכונים על ידי חיזוי רצף תרגומי ממודלים in vitro לגרון מוקצץ או למחקרים in vivo.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
מודל זה משתלב ברצף הגילוי, החל מבדיקת היפותזות על מטרות, דרך אופטימיזציה של מובילים ועד לתיקוף פרה-קליני, במיוחד עבור מודליות המכוונות למכניקה של רקמת מיתרי הקול.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בהורדת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד התרומה של שכבות רקמה בודדות לדינמיקה התנודתית.
- סריקה: מאפשרת הערכה של השפעות תרכובות על לחץ ההתחלה ויציבות התדר כסמנים ביולוגיים תפקודיים.
- אנליטיקה: מספקת פלטים מדידים הכוללים תדר תנודה (115 Hz), קצב זרימה גלוטיסית (210 mL/s) ולחץ התחלה (400 Pa) לצורך ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מדגימה היווצרות של גל רירי, סמן ביולוגי מרכזי לפונציה קולית בריאה, המאפשרת מתאם עם נקודות קצה קליניות.
- שימוש חוזר ארגוני: תהליך העבודה של יציקה ועיצוב מאפשר שכפול בין מעבדות ווריאנטים של מודלים, ובכך תומך בסטנדרטיזציה של הפלטפורמה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: הפחתת העמימות המכניסטית במידול הפקת קול באמצעות ארכיטקטורה רב-שכבתית ביומימטית.
- ערך תפעולי: פרוטוקול ייצור סטנדרטי המבטיח שחזוריות בין מעבדות ויכולת הרחבה עבור קמפיינים של סריקת פרה-קלינית.
- ערך אסטרטגי: שיפור ביעילות ההון על ידי הפחתת ההסתמכות על מודלים של גרון מוצא (excised larynx) בעלי משך רטט מוגבל.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר זיהוי מוקדם יותר של תרכובות עם פרופילי בטיחות קוליים חיוביים, ובכך מפחית את שיעור הנשירה בשלבים מאוחרים באינדיקציות הקשורות לקול.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבניית אבות-טיפוס מהירה, יציקת סיליקון וניקוי בועות באספירה (vacuum-assisted degassing) להבטחת דיוק השכבות.
- תלוי בגישה לתאי ואקום, תנורי דיוק ומערכות דימוי במהירות גבוהה לצורך תיקוף תפקודי.
- מחייב תיאום בין-צוותי בין קבוצות מחקר בחומרים ביומיים, ביומכניקה ומחקר קול להגדרת תכונות שכבות עקביות.
- חייב להתחשב בספי סף של הקשיה (curing) הספציפיים לחומר בעת התאמת המודל לפרופילי קשיחות או צמיגות הרלוונטיים למחלה.
- מוגבל על ידי הצורך ביישור ידני של השכבות ובהחדרת סיבים, דבר שעלול להוביל לשונות בתנאי עיבוד רב-מדגמי (high-throughput).
