Syntetyczny, wielowarstwowy, samooscylujący model fałdu głosowego
2 grudnia 2011
Metodologia wytwarzania syntetycznych modeli fałdów głosowych jest opisana. Modele są naturalnej wielkości i naśladują wielowarstwową strukturę ludzkich fałdów głosowych. Wyniki pokazują, że modele same oscylują pod ciśnieniem porównywalnym z ciśnieniem w płucach i wykazują reakcje wibracyjne wywołane przepływem, które są podobne do tych w ludzkich fałdach głosowych.
Ogólnym celem tej procedury jest opisanie i zademonstrowanie wytwarzania wielowarstwowego, syntetycznego, samooscylującego modelu fałdu głosowego. Powstają pierwsze szybkie prototypy pozytywów z trójwymiarowych modeli komputerowych. Następnie z szybkich prototypów budowane są negatywy formy.
Na koniec odlewana jest każda warstwa modelu fałdu głosowego, w tym ciało, więzadło, z włóknem pośrodku, powierzchowną laminą właściwą i nabłonkiem. Ostatecznie, porównując ciśnienie podkrtaniowe, częstotliwość drgań, natężenie przepływu krtani i ruch powierzchni przyśrodkowej, wyniki pokazują, że wielowarstwowe syntetyczne modele fałdów głosowych wykazują podobną charakterystykę odpowiedzi wywołanej przepływem jak wibracje ludzkich fałdów głosowych. Główną przewagą tych modeli nad istniejącymi modelami wielowarstwowymi, takimi jak model dwuwarstwowy, jest to, że struktura tych wielowarstwowych modeli jest bardziej podobna do struktury ludzkich fałd VCA, co czyni je bardziej przydatnymi do badań nad produkcją głosu.
Najpierw stwórz solidne modele trzech warstw fałdów głosowych, powierzchownego więzadła Lamin propria i warstw ciała. Zazwyczaj odbywa się to poprzez tworzenie modeli 3D wspomaganych komputerowo lub modeli CAD o pożądanej geometrii, eksportowanie modeli CAD jako plików stereolitografii lub STL i wysyłanie plików STL do niestandardowej maszyny. Kupuj szybkie prototypowanie.
Zbuduj formę formy w kształcie pudełka, używając cienkich kawałków materiału akrylowego. Przyciąć do żądanych wymiarów. Wykonaj spód formy, przyklejając ją do płaskiej płyty akrylowej za pomocą smaru próżniowego.
Umieść niewielką ilość smaru próżniowego po bocznej stronie modelu bryłowego o żądanej geometrii. Wciśnij model w dno wnęki formy formy, odkurzając smarem stronę do dołu, aby smar próżniowy utrzymywał część na miejscu. Obficie pokryj formę formy i solidny model środkiem antyadhezyjnym za pomocą pędzla, upewnij się, że środek antyadhezyjny dociera do wszystkich zakątków wnęki formy formy.
Wymieszaj ze sobą 10 części A i jedną część B gładkiej komórki, dziewięć 50 platynowej gumy silikonowej w pojemniku, który pozwoli na rozszerzenie objętości produktu podczas odkurzania. Aby usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza, umieść pojemnik w komorze próżniowej i zmniejsz ciśnienie do około 26 cali rtęci poniżej ciśnienia atmosferycznego na około trzy minuty. Wyjmij silikon DGA z komory i wlej go do wnęki formy formy.
Umieść go ponownie w komorze próżniowej i DGA. Wyjmij formę z komory próżniowej i umieść ją na równej powierzchni. Pozostaw do utwardzenia na 24 godziny Po utwardzeniu gumy usuń formę z formy.
Powtórz ten proces, aby utworzyć formy dla każdej z pozostałych geometrii modelu bryłowego. Po utworzeniu wszystkich form przetnij formę warstwy więzadłowej na środku powierzchni przyśrodkowej w kierunku przednim tylnym za pomocą prostej brzytwy, aby umożliwić wprowadzenie włókien w celu odlania warstwy ciała. Najpierw nałóż cienką warstwę środka antyadhezyjnego na jamę formy ciała za pomocą pędzla.
Wymieszaj ze sobą jedną część B i jedną część A super miękkiego silikonu platynowego eFlex 0 0 30. A następnie dodaj jedną część rozcieńczalnika silikonowego, aby zmniejszyć ostateczną sztywność materiału po utwardzeniu. Mieszaj przez 30 sekund, a następnie umieść w komorze próżniowej na jedną minutę.
Aby usunąć uwięzione powietrze, wyjmij mieszaninę z próżni i wlej ją do wnęki formy ciała, ale nie napełniaj do góry. Umieść formę w piekarniku nagrzanym do 200 stopni Fahrenheita na 30 minut. Po upieczeniu wyjmij formę z piekarnika i ostudź.
Następnie utwórz model podkładu ciała, mieszając jedną część B i jedną część A skóry smoka. Dodaj jedną część rozcieńczalnika silikonowego i energicznie mieszaj przez 30 sekund. Po usunięciu wszelkich pęcherzyków za pomocą próżni, wlej mieszaninę do wnęki formy ciała, aż do całkowitego napełnienia.
Umieść formę w piekarniku w temperaturze 200 stopni Fahrenheita na 30 minut. Po ostygnięciu wyjmij model z formy. Następnie usuń środek antyadhezyjny z powierzchni warstwy ciała za pomocą ręcznika papierowego.
Aby odlać warstwę więzadła, nałóż cienką warstwę środka antyadhezyjnego na powierzchnię jamy formy więzadła za pomocą pędzla. Umieść nić o długości 30 centymetrów w formie, dokładnie wciskając ją w nacięcie z prostej brzytwy. Wymieszaj jedną część B i jedną część A eco Lex 0, 0 30 i cztery części rozcieńczalnika silikonowego.
Umieść mieszaninę w komorze próżniowej, aby usunąć pęcherzyki powietrza, a następnie wlej mieszaninę do jamy formy więzadła. Wciśnij model nośny korpusu do jamy formy więzadła. Rozpocznij wkładanie z jednej strony i delikatnie przesuwaj na drugą, aby model wypchnął nadmiar nieutwardzonego, silikonu i pęcherzyków powietrza z wnęki formy.
Po pieczeniu przez 30 minut ostudzić formę i wyjąć model. Wytrzyj środek antyadhezyjny ręcznikami papierowymi. Aby odlać powierzchowną warstwę Lamin propria lub SLP, nałóż cienką warstwę środka antyadhezyjnego na powierzchnię wnęki formy SLP za pomocą pędzla.
Wymieszaj jedną część B, jedną część A eco flex, 0 0 30 i osiem części rozcieńczalnika silikonowego za pomocą próżni wagowej i wlej mieszaninę do wnęki formy. Włóż model podkładu korpusu więzadła do wnęki formy SLP Po pieczeniu w temperaturze 200 stopni Fahrenheita przez godzinę i schłodzeniu, wyjmij model powoli i z najwyższą ostrożnością, aby powierzchowny Lamin propria pozostał nienaruszony. Na koniec, w przypadku warstwy nabłonka, umieść model fałdu głosowego na płaskiej powierzchni spodem do dołu i usuń materiał podporowy prostą brzytwą.
Zawieś nici w powietrzu, przyczepiając je do obiektu o większej wysokości niż model. Po zmieszaniu jednej części B i jednej części A smoczej skóry z jedną częścią rozcieńczalnika silikonowego i odkurzeniu, należy zalać model i pozostawić do utwardzenia na godzinę. Powtórz proces, aby utworzyć grubszą warstwę, a po całkowitym utwardzeniu modelu usuń nadmiar materiału za pomocą prostej brzytwy, zamontuj każdy ukończony model fałdu głosowego na akrylowej płycie montażowej, najpierw nakładając cienką warstwę kleju silikonowego na boczną i przednią tylną powierzchnię modelu.
Włóż model do wgłębionego nacięcia w płycie montażowej i wyrównaj powierzchnię przyśrodkową modelu z górną częścią płyty akrylowej. Zetrzyj nadmiar kleju i pozwól klejowi się utwardzić. Przez godzinę nakładaj talk na powierzchnię modelu, aby zmniejszyć lepkość powierzchni podczas śledzenia powierzchni przyśrodkowej.
Użyj cienkiego pisaka sharpie, aby zaznaczyć kropki na modelu. Po nałożeniu talku włóż długie przez otwory w płycie montażowej z gwintowanymi końcami skierowanymi w stronę modelu, z którym zostanie sparowany istniejący model. Połóż gwinty na i nałóż piankę o zamkniętych komórkach na, aby zamknąć wszelkie szczeliny powietrzne.
Sparuj ten przygotowany model z innym modelem fałdu głosowego, który został podobnie zamontowany na akrylowym uchwycie. Dokręć, aby ścisnąć piankę i zbliż do siebie powierzchnie przyśrodkowe, aż zostanie osiągnięta żądana szczelina wibracyjna wstępna. Upewnij się, że oba zestawy gwintów są umieszczone na i wystają na zewnątrz od płytek akrylowych w przednim lub tylnym kierunku, a następnie zamontuj parę fałdów głosowych na rurze doprowadzającej powietrze.
Zwiąż ze sobą przednie nici, tworząc pętlę, a następnie tylne nici, jednocześnie zawieś żądany ciężar na pętli i przystąp do testowania i zbierania danych. Korzystając z wyprodukowanego modelu z napięciem około 31 gramów przyłożonym do włókien, początkowe ciśnienie wynosiło 400 paskali przy ciśnieniu podgłośniowym o 10% wyższym niż ciśnienie początkowe. Model wibrował z częstotliwością 115 Hz z natężeniem przepływu krtani wynoszącym 210 mililitrów na sekundę.
Wartości te są w pełni zgodne z wartościami podawanymi dla ludzi. Nagrania wideo z dużą prędkością modelu wibracyjnego wykazały, że porusza się on bardziej realistycznym ruchem niż poprzednie modele dwuwarstwowe. Dla porównania.
Na tym filmie przedstawiającym górną powierzchnię modelu dwuwarstwowego nie ma fali błony śluzowej, a profil głośni wydaje się być w większości rozbieżny w całym cyklu. To ograniczenie modeli dwuwarstwowych można lepiej zobaczyć w szybkich nagraniach wideo modelu dwuwarstwowego w konfiguracji krtani Hemi. Oglądanie szybkich nagrań z doskonałym widokiem nowego modelu wielowarstwowego.
Można zaobserwować oznaki fali błony śluzowej, a profil głośni nie wydaje się już rozbieżny w całym cyklu. Wideogram z nagrania z dużą prędkością górnego widoku nowego modelu wielowarstwowego ujawnia dowody na różnicę faz między górą a marginesami. Górny margines ukrywa dolny margines w otwartej fazie okresu wibracji.
Szybkie wideo nowego wielowarstwowego modelu w konfiguracji krtani Hemi dostarcza silniejszych dowodów na falę śluzówkową i naprzemienny zbieżny ruch rozbieżny, który jest charakterystyczny dla ludzkiego fałdu głosowego. Trajektorie drgań wyodrębnione z obrazów stereoskopowych kropek nałożonych na przyśrodkową i dolną powierzchnię fałdu głosowego. Model. Pokaż, że model wykazuje naprzemienny zbieżny rozbieżny profil, który jest typowy dla ludzkiej fonacji.
Punkty są oznaczone od A do F, zaczynając od najniższego punktu. Lewy wykres pokazuje zbieżną głośnię w fazie otwierającej, a prawy wykres pokazuje rozbieżną głośnię w fazie zamykającej. Ta metoda wytwarzania syntetycznych modeli fałdów głosowych daje modele, które wykazują zachowanie wibracyjne podobne do ludzkich fałdów głosowych.
Koncepcja wielowarstwowa zapewnia znaczące korzyści w porównaniu z poprzednimi projektami modeli jedno- i dwuwarstwowych pod względem zmniejszonego początku i ulepszonego ruchu modelu. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby używać tylko niezbędnej ilości środków antyadhezyjnych, aby warstwy prawidłowo przylegały do siebie. Tam.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule opisano proces wytwarzania wielowarstwowych syntetycznych modeli fałdów głosowych, które naśladują strukturę ludzkich fałdów głosowych. Modele te zostały zaprojektowane tak, aby ulegały samopodtrzymującym się oscylacjom pod wpływem ciśnień zbliżonych do tych występujących w ludzkich płucach, wykazując reakcje wibracyjne analogiczne do naturalnego zachowania fałdów głosowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Badania nad produkcją głosu
Wprowadzenie
- Fałdy głosowe odgrywają kluczową rolę w produkcji głosu.
- Istniejące modele często nie oddają złożoności struktury ludzkich fałdów głosowych.
- Modele wielowarstwowe mogą dostarczyć lepszego wglądu w dynamikę fałdów głosowych.
- Samooscylacja w modelach syntetycznych może naśladować zachowanie ludzkich fałdów głosowych.
Cel badania
- Wytworzenie syntetycznego modelu fałdu głosowego, który dokładnie odwzorowuje warstwy ludzkiego fałdu głosowego.
- Porównanie charakterystyki wibracyjnej modelu syntetycznego z charakterystyką ludzkich fałdów głosowych.
- Zwiększenie przydatności modeli syntetycznych w badaniach nad głosem.
Zastosowane metody
- Tworzenie szybkich prototypów pozytywowych na podstawie komputerowych modeli 3D.
- Opracowanie negatywów form na podstawie prototypów.
- Odlewanie każdej warstwy modelu fałdu głosowego, w tym ciała, więzadła i nabłonka.
- Pomiar ciśnienia podgłośniowego, częstotliwości drgań i natężenia przepływu przez głośnię.
Główne wyniki
- Modele syntetyczne wykazywały samooscylację przy poziomach ciśnienia płucnego.
- Reakcje wibracyjne były podobne do tych występujących w ludzkich fałdach głosowych.
- Reakcje indukowane przepływem odpowiadały tym obserwowanym podczas naturalnych wibracji fałdów głosowych.
- Wielowarstwowa struktura zwiększyła przydatność modelu do badań nad produkcją głosu.
Wnioski
- Syntetyczne modele fałdów głosowych są skuteczne w badaniu mechanizmów produkcji głosu.
- Modele te zapewniają lepsze przybliżenie dynamiki ludzkich fałdów głosowych.
- Przyszłe badania mogą wykorzystać te modele do zaawansowanych analiz krtani i głosu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Syntetyczne modele fałdów głosowych, które odwzorowują warstwowość tkanek ludzkich, umożliwiają bardziej istotne fizjologicznie oceny przedkliniczne środków terapeutycznych i narzędzi diagnostycznych w obszarze głosu. Poprzez poprawę ciśnienia inicjacji fonacji oraz wierność drgań, modele te ograniczają niejednoznaczność biologiczną w początkowej fazie walidacji celów terapeutycznych w zaburzeniach krtani. Wspiera to pewność prognostyczną w identyfikacji wiodących kandydatów oraz w selekcji projektów badawczych dla wskazań oddechowych i nerwowo-mięśniowych wpływających na fonację.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie hipotez terapeutycznych ukierunkowanych na biomechanikę fałdów głosowych oraz propagację fali śluzówkowej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalny system oceny oddziaływania na cel w warunkach oscylacji indukowanych przepływem.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez modelowanie odpowiedzi wibracyjnej zbliżonej do ludzkiej na interwencje farmakologiczne lub mechaniczne.
Przesiewanie i rozwój testów
- Wartość naukowa: Dostarcza ilościowych, zależnych od warstw odczytów, takich jak szybkość przepływu przez głośnię i ruch powierzchni środkowej, do analizy związków chemicznych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzowane, powtarzalne testy wibracji w wielu iteracjach modelu przy kontrolowanych właściwościach materiałowych.
- Wartość strategiczna: Wspiera przygotowanie analiz do wysokoprzepustowej oceny związków wpływających na sztywność lub lepkość fałdów głosowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Modeluje istotne dla choroby zmiany strukturalne, umożliwiając systematyczną zmianę właściwości nabłonka, więzadeł i warstw ciała.
- Wartość operacyjna: Łączy etapy odkryć i procesy przedkliniczne dzięki zachowaniu zdolności do samowzbudnych oscylacji pod wpływem fizjologicznych ciśnień podgłośniowych.
- Wartość strategiczna: Wspiera dostosowany do ryzyka postęp badań poprzez przewidywanie ciągłości translacyjnej z modeli in vitro do wyciętą krtani lub badań in vivo.
Integracja potoków i przepływów pracy
Model ten wpisuje się w kontinuum procesu badawczego, od testowania hipotez dotyczących punktów uchwycenia, poprzez optymalizację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, w szczególności w przypadku metod celujących w mechanikę tkanki fałdów głosowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez izolację wpływu poszczególnych warstw tkankowych na dynamikę drgań.
- Przesiewanie: Umożliwia ocenę wpływu związków na ciśnienie progu fonacji oraz stabilność częstotliwości jako biomarkerów funkcjonalnych.
- Analityka: Dostarcza mierzalne wyniki, w tym częstotliwość drgań (115 Hz), natężenie przepływu głośniowego (210 mL/s) oraz ciśnienie progu fonacji (400 Pa), co pozwala na analizę porównawczą różnych warunków.
- Badania translacyjne: Wykazuje formowanie się fali śluzówkowej, kluczowego biomarkera zdrowej fonacji, co umożliwia korelację z punktami końcowymi klinicznymi.
- Zastosowanie w skali przedsiębiorstwa: Przepływ pracy obejmujący formowanie i odlewanie pozwala na replikację w różnych laboratoriach i wariantach modeli, wspierając standaryzację platformy.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w modelowaniu produkcji głosu poprzez biomimetyczną architekturę wielowarstwową.
- Wartość operacyjna: Standaryzowany protokół wytwarzania zapewnia odtwarzalność międzylaboratoryjną oraz skalowalność dla kampanii badań przesiewowych w fazie przedklinicznej.
- Wartość strategiczna: Poprawa efektywności kapitałowej poprzez zmniejszenie zależności od modeli z wyekcyzowaną krtanią o ograniczonym czasie trwania wibracji.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia wcześniejszą identyfikację związków o korzystnym profilu bezpieczeństwa w zakresie funkcji głosu, redukując odsetek niepowodzeń na późnych etapach badań w wskazaniach związanych z głosem.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w zakresie szybkiego prototypowania, odlewów silikonowych i odgazowywania próżniowego w celu zapewnienia wierności warstw.
- Zależne od dostępu do komór próżniowych, precyzyjnych pieców oraz systemów obrazowania o wysokiej prędkości w celu walidacji funkcjonalnej.
- Wymaga uzgodnień międzyzespołowych pomiędzy grupami badawczymi zajmującymi się biomateriałami, biomechaniką i badaniami nad krtanią w celu spójnej specyfikacji właściwości warstw.
- Należy uwzględnić progi utwardzania specyficzne dla materiału podczas dostosowywania modelu do profili sztywności lub lepkości istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Ograniczone koniecznością ręcznego wyrównywania warstw i wprowadzania włókien, co może wprowadzać zmienność w warunkach wysokoprzepustowych.
