Sekwencja wykonania (patrz Rys. 1) składa się z przygotowania form dla poszczególnych warstw modelu fałdu głosowego, sekwencyjnego odlewania warstw silikonowych oraz montażu modeli do testów. Model składa się z czterech odrębnych warstw: ciała, więzadła, powierzchownej blaszki własnej oraz nabłonka, a także pojedynczego włókna. Dodano warstwę podkładową, aby ułatwić precyzyjne rozmieszczenie poszczególnych warstw w modelu fałdu głosowego. Definicje parametrów geometrycznych modelu przedstawiono na Rys. 2, a wartości parametrów dla obecnego modelu podano w Tabeli 1. W następnych sekcjach określono różne proporcje mieszania silikonu dla poszczególnych warstw; pozwalają one uzyskać właściwości materiałowe zbliżone do tych raportowanych dla tkanki fałdu głosowego człowieka w zakresie małych odkształceń 13 (patrz Tabela 2).
1. Wykonanie i przygotowanie formy
- Stworzyć modele bryłowe trzech warstw fałdów głosowych: powierzchownej warstwy błony właściwej, więzadła oraz warstwy ciała. Zazwyczaj wykonuje się to poprzez tworzenie komputerowych modeli 3D (CAD) o pożądanej geometrii, eksportowanie modeli CAD do plików stereolitografii (STL) i przesyłanie plików STL do profesjonalnego warsztatu w celu szybkiego prototypowania.
- Przygotować formę w kształcie pudełka, używając cienkich arkuszy akrylu. Przybliżone wymiary (niekrytyczne) to 2,54 cm wysokości × 5,72 cm szerokości × 6,35 cm głębokości. Dno formy wykonać poprzez przyklejenie jej do płaskiej płyty akrylowej. Wszystkie krawędzie wewnętrzne uszczelnić smarem próżniowym.
- Nanieść niewielką ilość smaru próżniowego na boczną stronę modelu bryłowego o pożądanej geometrii (tj. ciała, więzadła lub powierzchownej warstwy błony właściwej). Wcisnąć model w dno wnęki formy, stroną ze smarem próżniowym w dół, tak aby smar utrzymał część na miejscu. Obficie pokryć formę oraz model bryłowy środkiem rozdzielającym. Za pomocą pędzla upewnić się, że środek rozdzielający dotarł do wszystkich narożników wnęki formy.
- Wymieszać 10 części komponentu A i jedną część komponentu B platynowej gumy silikonowej Smooth-Sil 950 (części odmierzone wagowo) w pojemniku z wystarczającą przestrzenią na ekspansję. Aby usunąć pęcherzyki powietrza, umieścić formę z nieutwardzoną gumą silikonową w komorze próżniowej i obniżyć ciśnienie (np. do około 26 cali Hg poniżej ciśnienia atmosferycznego) przez około trzy minuty (lub więcej bądź mniej, zależnie od potrzeb). Wyjąć odgazowany silikon z komory i wlać do wnęki formy. Umieścić formę z nieutwardzonym silikonem ponownie w komorze próżniowej i ponownie odgazować. Wyjąć z komory próżniowej i ustawić na poziomej powierzchni. Pozostawić do utwardzenia na 24 godziny, a następnie wyjąć odlew z formy.
- Powtórzyć kroki od 1.1 do 1.4, aby stworzyć formy dla każdej z warstw: powierzchownej błony właściwej, więzadła i ciała.
- Naciąć formę warstwy więzadła w centrum powierzchni przyśrodkowej w kierunku przednio-tylnym za pomocą brzytwy, aby umożliwić wprowadzenie włókien.
2. Odlewanie każdej warstwy
- Warstwa ciała: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego do wnęki formy ciała. Wymieszać jedną część składnika B i jedną część składnika A silikonu platynowego Ecoflex 00-30 Supersoft (wagowo). Dodać jedną część rozcieńczalnika do silikonu (wagowo), aby zmniejszyć końcową sztywność utwardzonego materiału. Mieszać przez 30 sekund, a następnie umieścić w komorze próżniowej na jedną minutę w celu usunięcia uwięzionego powietrza. Wyjąć mieszaninę z próżni i wlać do wnęki formy ciała, nie wypełniając jej jednak do pełna. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F na 30 minut. Wyjąć z piekarnika i schłodzić.
- Podkład: Wymieszać jedną część składnika B i jedną część składnika A silikonu Dragon Skin, a następnie dodać jedną część rozcieńczalnika do silikonu (wagowo). Mieszać intensywnie przez 30 sekund, umieścić w próżni na 1 minutę i wlać do wnęki formy ciała, aż zostanie całkowicie wypełniona. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F na 30 minut. Wyjąć formę z piekarnika i schłodzić. Wyjąć model z formy, pozwolić mu ostygnąć do temperatury pokojowej i usunąć za pomocą ręcznika papierowego pozostałości środka rozdzielającego z powierzchni warstwy ciała.
- Warstwa więzadła: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego na powierzchnię wnęki formy więzadła. Umieścić w formie nić o długości 30 cm, wsuwając ją w nacięcie wykonane brzytwą. Dokładnie wymieszać jedną część składnika B, jedną część składnika A Ecoflex 00-30 oraz cztery części rozcieńczalnika do silikonu (wagowo). Umieścić w komorze próżniowej w celu usunięcia pęcherzyków powietrza i wlać mieszaninę do wnęki formy więzadła.
- Warstwa więzadła (kontynuacja): Wcisnąć model z podkładem (wykonany w krokach 2.1.1 i 2.1.2) do wnęki formy więzadła. Zacząć wkładanie od jednej strony i delikatnie przesuwać w stronę przeciwległą, tak aby model wypchnął nadmiar nieutwardzonego silikonu oraz pęcherzyki powietrza z wnęki formy. W przypadku wystąpienia pęcherzyków powietrza wyjąć model z wnęki formy, ponownie wypełnić ją nieutwardzonym silikonem i powtórzyć proces wciskania modelu do formy. Umieścić formę w piekarniku na 30 minut, wyjąć i schłodzić do temperatury pokojowej. Wyjąć model z formy. Usunąć nadmiar środka rozdzielającego ręcznikiem papierowym.
- Warstwa powierzchownej warstwy błony właściwej: Za pomocą pędzla nanieść cienką warstwę środka rozdzielającego na powierzchnię wnęki formy powierzchownej warstwy błony właściwej (SLP). Wymieszać jedną część składnika B, jedną część składnika A Ecoflex 00-30 i 8 części rozcieńczalnika do silikonu wagowo. Odpowietrzyć w próżni w sposób opisany wcześniej i wlać do wnęki formy SLP. Zastosować proces opisany w kroku 2.1.4, aby włożyć model więzadło-ciało-podkład do wnęki formy powierzchownej warstwy błony właściwej. Umieścić w piekarniku w temperaturze 250 °F i utwardzać przez jedną godzinę. Wyjąć z piekarnika i pozwolić ostygnąć. Wyjąć model powoli i z najwyższą ostrożnością, tak aby powierzchowna warstwa błony właściwej pozostała nienaruszona.
- Warstwa nabłonka: Położyć model fałdu głosowego na płaskiej powierzchni podkładem do dołu. Usunąć materiał podporowy brzytwą. Zawiesić nici w powietrzu, mocując je do obiektu wyższego niż model. Wymieszać jedną część składnika B i jedną część składnika A silikonu Dragon Skin z jedną częścią rozcieńczalnika do silikonu, wymieszać, odpowietrzyć w próżni, a następnie wylać na model i pozostawić do utwardzenia na jedną godzinę. Powtórzyć proces w celu utworzenia grubszej warstwy. Usunąć nadmiar materiału brzytwą.
- Opcjonalnie: Jeśli każda warstwa ma mieć inny kolor (w celu wizualnej inspekcji poszczególnych warstw), dodać barwnik do składnika B silikonu Ecoflex lub Dragon Skin podczas procesu mieszania.
- Opcjonalnie: Jeśli planowane jest gromadzenie danych o właściwościach materiałowych, równocześnie z wytwarzaniem każdej warstwy modelu przygotować próbki do badań wytrzymałościowych i reologicznych. W tym celu wlać nadmiar nieutwardzonego materiału do form o kształcie i rozmiarze odpowiednim dla próbek właściwości materiałowych, uprzednio pokrytych środkiem rozdzielającym.
- Opcjonalnie: Jeśli wymagany jest pomiar grubości warstw, wyciąć brzytwą przekrój poprzeczny modelu i zbadać go pod mikroskopem.
3. Końcowe przygotowanie modelu do testowania
- Zamocuj każdy ukończony model fałdy głosowej w akrylowej płytce montażowej, nakładając najpierw cienką warstwę kleju silikonowego na tylne (boczne) oraz boczne (przednio-tylne) powierzchnie modelu. Włóż model w wgłębienie płytki montażowej. Wyrównaj powierzchnię przyśrodkową modelu z górną krawędzią akrylowej płytki. Usuń nadmiar kleju. Pozostaw klej do utwardzenia na jedną godzinę.
- Nałóż puder talkowy na powierzchnię modelu, aby zmniejszyć lepkość powierzchni.
- W celu śledzenia powierzchni przyśrodkowej użyj cienkopisu Sharpie, aby zaznaczyć kropki na modelu. Najlepsze wyniki uzyskuje się, wykonując znakowanie po nałożeniu pudru talkowego.
- Włóż długie śruby przez otwory w płytce montażowej, kierując końce z gwintem w stronę modelu, z którym ten model zostanie sparowany. Nałóż nici na śruby. Połóż piankę o zamkniętych komórkach na śrubach, aby zamknąć wszelkie szczeliny powietrzne.
- Sparuj tak przygotowany model z innym modelem fałdy głosowej, który został w podobny sposób zamocowany w uchwycie akrylowym zgodnie z krokami 3.1 i 3.2. Dokręć śruby, aby ścisnąć piankę i zbliżyć do siebie powierzchnie przyśrodkowe, aż zostanie osiągnięta pożądana szczelina przedwibracyjna. Upewnij się, że oba zestawy nici są nałożone na śruby i wystają z płytek akrylowych w kierunku przednio-tylnym.
- Zamocuj parę fałd głosowych na rurce doprowadzającej powietrze.
- Zwiąż przednie nici, tworząc pętlę. Powtórz czynność dla nici tylnych. Jednocześnie zawieś na pętlach odpowiedni ciężar.
- Modele są teraz gotowe do testowania i zbierania danych.
4. Reprezentatywne wyniki
Dane dotyczące odpowiedzi wibracyjnej z jednego modelu stworzonego przy użyciu tego procesu wykonania przedstawiają się następująco; wyniki te są typowe. Przy przyłożonym do włókien napięciu wynoszącym około 31 g, ciśnienie progowe wyniosło 400 Pa. Przy ciśnieniu podgłośniowym o 10% wyższym od ciśnienia progowego (440 Pa), model wibrował z częstotliwością 115 Hz przy przepływie głośniowym wynoszącym 210 ml/s. Wartości te są zgodne z wartościami raportowanymi dla ludzi (Tabela 3). Analiza ruchu modelu za pomocą wideo-kymografii wysokiej rozdzielczości wykazała różnicę faz między krawędzią górną a dolną, t. j. krawędź górna zasłaniała krawędź dolną podczas fazy otwarcia okresu wibracji (Ryc. 3). Trajektorie wyznaczone z obrazów stereoskopowych punktów naniesionych na powierzchnie przyśrodkową i dolną modelu fałdu głosowego wykazały, że model wykazywał naprzemienny profil zbieżny-rozbieżny, typowy dla ludzkiej fonacji, ruch przypominający falę śluzówkową oraz mniejszy ruch w płaszczyźnie dolna-górna niż w poprzednich modelach (Ryc. 4).

Tabela 1. Wartości parametrów geometrycznych modelu.

Tabela 2. Proporcje mieszanin wagowych i wynikający z nich moduł Younga dla poszczególnych sekcji modelu fałdy głosowej. EF i DS oznaczają odpowiednio silikon wykonany z Ecoflex i Dragon Skin 14.

Tabela 3. Porównanie odpowiedzi wibracyjnych ludzkich i syntetycznych fałdów głosowych.

Rysunek 1. Proces wytwarzania syntetycznego modelu fałdu głosowego. Modele bryłowe opracowane w programie CAD (lewy panel) służą do tworzenia form (środkowy panel) dla każdej warstwy. Następnie każda warstwa jest odlewana, zaczynając od warstwy ciała, a kończąc na warstwie nabłonka (prawy panel, z każdą warstwą „odchyloną” dla lepszej widoczności). Po zakończeniu produkcji modele są montowane na płytkach akrylowych w celu przeprowadzenia testów.

Rysunek 2. Przekrój poprzeczny syntetycznego modelu fałdu głosowego. Przedstawiono wyraźne warstwy ciała, powierzchownej warstwy właściwej błony śluzowej, więzadła oraz nabłonka. Parametry definiują geometrię modelu fałdu głosowego. Skala tego rysunku została dobrana w celu przejrzystego przedstawienia definicji geometrycznych. Zastosowanie wartości parametrów podanych w Tabeli 1 spowoduje uzyskanie kształtu nieco innego niż przedstawiony tutaj.

Rysunek 3. Szybkoklatkowy kymogram wibracji modelowych. Szacowane położenia marginesów górnego i dolnego zaznaczono kolorowymi liniami przerywanymi. Widoczne są różnice faz między marginesami dolnym a górnym.

Rysunek 4. Profil powierzchni przyśrodkowej syntetycznego modelu fałdy głosowej w układzie hemikrtani, zarejestrowany w dwóch różnych momentach czasu podczas wibracji. Markery z tuszu zostały umieszczone na powierzchni przyśrodkowej (jak pokazano na prawym obrazie), obrazowane za pomocą dwóch zsynchronizowanych szybkich kamer i śledzone w cyklu wibracyjnym. Wykres po lewej stronie przedstawia głość zbieżną podczas fazy otwarcia, a wykres po prawej stronie przedstawia głość rozbieżną podczas fazy zamknięcia.