Процесс производства неадгезивных сверхмягких моделей голосовых фолдов

Краткое содержание

В этом исследовании демонстрируется изготовление нелипких и сверхмягких моделей голосовых складок путем введения специфического способа создания слоев голосовых складок, предоставления подробного описания процедуры изготовления и характеристики свойств моделей.

Аннотация

Это исследование направлено на разработку сверхмягких, нелипких моделей голосовых складок для исследования голоса. Традиционный процесс производства моделей голосовых складок на основе силикона приводит к получению моделей с нежелательными свойствами, такими как липкость и проблемы с воспроизводимостью. Эти модели голосовых связок склонны к быстрому старению, что приводит к плохой сопоставимости по различным измерениям. В этом исследовании мы предлагаем модификацию производственного процесса путем изменения порядка наслоения силиконового материала, что приводит к получению нелипких и высокостабильных моделей голосовых связок. Мы также сравниваем модель, полученную с помощью этого метода, с моделью голосовых связок, изготовленной традиционным способом, на которую отрицательно влияет ее липкая поверхность. Мы подробно описываем производственный процесс и характеризуем свойства моделей для потенциальных применений. Результаты исследования демонстрируют эффективность модифицированного метода изготовления, подчеркивая превосходные качества наших нелипких моделей голосовых складок. Полученные результаты способствуют разработке реалистичных и надежных моделей голосовых складок для исследовательского и клинического применения.

Введение

Модели голосовых связок используются для моделирования и исследования голосовой продукции человека в нормальных и патологических условиях ^1,2. Одной из самых больших проблем при создании моделей голосовых складок является достижение реалистичной мягкости и гибкости, которые очень близки к человеческим. Для достижения этих свойств часто используют силиконовые эластомеры, которые разбавляют большим количеством силиконового масла для достижения соответствующих модулей упругости ^3,4. Еще одним важным фактором в создании реалистичных моделей голосовых складок является многослойность, поскольку голосовые складки состоят из нескольких слоев различной мягкости, которые определяют характер вибрации, вызванной потоком, и частоту, на которой возможна вибрация.

В этом исследовании мы создали типичную модель голосовых связок. Мы использовали общую геометрию Шерера⁵, которая представляет собой типичные размеры мужских голосовых складок длиной 17 мм по Zhang⁶ и состоит из трех слоев: один слой для голосовой мышцы (слой тела), один для всего слоя слизистой оболочки (покровный слой) и один для эпителия. Эту структуру можно увидеть на корональном сечении на рисунке 1.

Рисунок 1: Корональное сечение модулей гортани. Корональный срез модулей гортани, иллюстрирующий самую широкую ширину голосовых складок (8,5 мм). Каждая голосовая складка состоит из слоя тела, покровного слоя и слоя эпителия. Эта цифра была изменена с¹³. Воспроизведено по Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Влияние волнистых стенок трахеи на давление начала колебаний силиконовых голосовых складок. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) с разрешения Акустического общества Америки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

В других публикациях частично используется только один слой⁷, два слоя без слоя эпителия² или моделируется слизистая оболочка с несколькими слоями³. Обычно слои отливают изнутри наружу, т.е. начиная с самого глубокого слоя. Эпителий, очень тонкий, толщиной 30 мкм, отбрасывается концом по всему телу, чтобы обволакивать его прочной кожей⁸.

Покровный слой в модели является самой мягкой частью, с модулем Юнга около 1,1 кПа⁹. Для слоя тела приблизительный модуль Юнга в поперечном направлении с использованием измерений in vitro ¹⁰ составляет 2 кПа. In vivo модуль Юнга щитовидной мышцы может быть выше из-за наличия волокон в продольном направлении, а также возможного напряжения мышцы. Чтобы достичь этого чрезвычайно низкого модуля Юнга, необходимо добавить в силиконовую смесь большое количество силиконового масла (примерно 72%). Тем не менее, производитель настоятельно не рекомендует использовать долю масла более 5%. В целом, добавление силиконового масла в эластомер предназначено для увеличения текучести и времени стекания, а также уменьшения усадки отвержденного силиконового полимера. Это помогает силикону затвердевать более равномерно, тем самым снижая напряжение в материале. Его целью является оптимизация формуемости и свойств отвержденного материала, а не повышение его мягкости, хотя это тоже является следствием. Это связано с тем, что силиконовое масло химически инертно, что означает, что оно не может полимеризоваться и не интегрировано в сеть силиконового полимера¹¹. Вместо этого он остается в виде жидкой фазы в полимерной матрице, ослабляя структуру полимера на более высоких уровнях и потенциально заставляя его растворяться из отвержденного материала и прилипать к поверхности. В результате возможны другие негативные свойства, такие как нарушения отверждения, неравномерная вулканизация, химическая усадка и хрупкость. Модели голосовых складок с высоким содержанием силиконового масла были исследованы с точки зрения старения и воспроизводимости, и было обнаружено, что существует высокая вариабельность свойств различных моделей и изменение их свойств с течением времени¹¹.

При изготовлении моделей голосовых складок традиционным способом ^7,12 липкость эпителиального слоя может быть проблемой, так как это может повлиять на однородность вибрации и привести к разрыву эпителия. Хотя силикон, используемый для изготовления эпителия, является неразбавленным, можно предположить, что масло, которое вытекает из соседнего слоя слизистой оболочки, оказывает такое же воздействие на силикон, как если бы оно было разбавлено. Проблема липкости решалась путем добавления различных порошков, таких как тальк или угольный порошок, в качестве промежуточного слоя между слизистой оболочкой и эпителиальным слоем¹². Этот подход, возможно, был успешным, потому что масло частично поглощалось порошком, и, как следствие, липкость эпителиальной поверхности могла быть уменьшена.

В данной публикации мы показываем, что проблему липкости можно обойти, немного модифицировав процесс изготовления голосовых связок. Изменяя порядок наслоения и начиная с неразбавленного эпителиального силикона (так называемого закрытого силикона), можно получить нелипкие сверхмягкие модели голосовых складок. Это изменение включает в себя необычные типы форм и методов, которые лучше всего представить и объяснить в виде видео. В этой статье мы подробно опишем наш производственный процесс и продемонстрируем, как свойства моделей голосовых складок могут быть охарактеризованы в приложении.

Протокол

1. Разработка моделей голосовых связок и 3D-печать деталей

1. Создайте многослойное представление общей геометрии M5 силиконовых голосовых складок с использованием различных мягких силиконовых материалов. Проектирование отдельных деталей с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Для получения подробной информации ознакомьтесь с Дополнительным файлом кодирования 1, Дополнительным файлом кодирования 2, Дополнительным файлом кодирования 3, Дополнительным файлом кодирования 4, Дополнительным файлом кодирования 5, Дополнительным файлом кодирования 6, Дополнительным файлом кодирования 7, Дополнительным файлом кодирования 8 . Файлы именуются в соответствии с их функцией в модели и служат основой для последующих шагов.
2. Скомпилируйте и организуйте необходимые файлы для каждого шага на шаге 2. Обратитесь к списку необходимых деталей и их количествам на дополнительном рисунке 1. Смотрите схематическое изображение сборки пресс-формы на дополнительном рисунке 2.
3. Загрузите файлы STL в программу для 3D-печати, чтобы сгенерировать файлы G-кода, которые могут быть прочитаны 3D-принтером.
4. Подготовьте материалы (см. Таблицу материалов) для 3D-печати.
   1. Для Дополнительного файла кодирования 2 и Дополнительного файла кодирования 5 используйте материал, который вызывает менее заметные линии слоя, например полимолочную кислоту (PLA+) или ПК.
   2. Для дополнительного файла кодирования 1 используйте более твердый материал, такой как прочный PLA или полиэтилентерефталатгликоль (PETG) из-за его восприимчивости к изгибающим напряжениям. Никаких дополнительных ограничений по выбору материала для печати на остальные детали не распространяется.
5. Отрегулируйте настройки программного обеспечения для 3D-печати для соответствующего выбранного 3D-принтера.
   1. Для Дополнительного файла кодирования 2 и Дополнительного файла кодирования 5 установите максимальную высоту слоя 0,1 мм.
   2. Для дополнительного файла кодирования 1 установите значение заполнения на 100%, а шаблон печати на зигзаг для достижения лучшей стабильности. Кроме того, установите категорию сцепления рабочей пластины на Юбка, а не Кромка, так как геометрия деталей значительно затруднит удаление кромок.
   3. Для остальных деталей используйте настройки по умолчанию и высоту слоя 0,2 мм.
6. Распечатайте упомянутые детали на 3D-принтере. Очистите детали и удалите лишний материал, такой как поля или ошибки печати. Загладьте внутренние контактные поверхности наждачной бумагой (равной или более тонкой, чем рекомендуется P1000).

2. Изготовление моделей голосовых связок

1. Соберите следующие детали и материалы для создания слоя тела: вокальная складка-позитив (2 раза), vocalis_mold-колпачок, vocalis_mold-основная часть, vocalis_mold-корпус, первичный силикон, разделительный агент и разбавитель (подробности см. в таблице материалов ).
   1. Нанесите немного разделительного агента на внутренние поверхности всех деталей пресс-формы.
   2. Соберите основную часть и крышку формы над позитивом и поместите пакет пресс-формы в предназначенный для этого горшок. При необходимости откорректируйте выравнивание двух деталей пресс-формы. Убедитесь, что отверстие в позитиве для заливки силикона гранями вверх, а форма имеет устойчивую опору на ровной поверхности.
   3. Создайте смесь первичного силикона с тремя частями разбавителя (1:1:3), начните с соединения компонента А с разбавителем, а затем добавьте компонент Б. Тщательно перемешайте компоненты. Общего количества 6 г силиконовой смеси достаточно для отливки телесного слоя из двух половинок голосовой складки.
   4. Вакуумируйте силиконовую смесь в вакуумной камере при минимальном давлении -1 бар, чтобы предотвратить образование пузырьков воздуха в отвержденном силиконовом корпусе.
   5. Осторожно залейте вакуумированную силиконовую смесь в полость формы, пока она не станет заполненной. Заполните окружающие области горшка для пресс-формы, чтобы очень тонкая силиконовая смесь не просачивалась через стыки формы. Проверьте уровень силикона во время капания и при необходимости добавьте еще. Время капельного созревания этой смеси составляет 1-2 часа.
   6. По истечении времени отверждения около 1 суток, но не менее 8 ч, выньте из горшка плесень, в том числе и положительный. Удалите силикон между формой и горшком перед открытием формы.
   7. При вскрытии формы сначала осторожно снимите крышку, начиная с обратной стороны позитива. Затем снимите основной корпус формы. Осторожно удалите излишки силикона с помощью скальпеля или бокового резака.
2. Подготовьте musosa_mold заднюю часть, musosa_mold основную часть и musosa_mold корпуса, а также вторичный силикон и разделительный агент для производства слоя эпителия. (См. Таблицу материалов).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этапы 2.1 и 2.2 (тело и слой эпителия) могут быть выполнены одновременно.
   1. Соберите две детали пресс-формы и поместите их в корпус. Подготовьте внутреннюю часть пресс-формы с помощью разделительного агента, убедившись, что внутренние стенки покрыты в соответствии с инструкциями по применению соответствующего разделительного агента. Дайте компоненту немного высохнуть на воздухе, прежде чем продолжить.
   2. Смешайте порцию вторичного силикона без использования разбавителя (1:1:0). Если во время смешивания в силиконовую смесь были введены пузырьки воздуха, дегазируйте смесь, как показано на этапе 2.1.4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Имейте в виду короткое время капельного созревания этой смеси, которое составляет около 15 минут.
   3. Вылейте немного смеси в форму и покрутите ее (оставив форму в корпусе), пока все внутренние поверхности не будут покрыты силиконом.
   4. Переверните форму и дайте излишкам силикона стечь. Закрепите форму в этом положении на сетке, решетке или под углом, обеспечивающим дальнейший силиконовый дренаж.
   5. Предотвратите образование выступов в силиконе в процессе отверждения, регулярно сглаживая его, особенно в области, где будет располагаться воздушный канал.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Позже их также можно осторожно удалить плоскогубцами.
3. Подготовьтесь к производству промежуточного слоя слизистой оболочки, подготовив позитив с помощью силиконового слоя vocalis из шага 2.1, форму, подготовленную со слоем эпителия из шага 2.2, а также силикон и разбавитель, как указано в таблице материалов.
   1. Создайте смесь первичного силикона с пятью частями разбавителя (1:1:5), начните с соединения компонента А с разбавителем, а затем добавьте компонент Б. Тщательно перемешайте компоненты. Достаточно общего количества 4 г силиконовой смеси.
   2. Вакуумируйте силиконовую смесь в вакуумной камере, как показано на шаге 2.1.4.
   3. Засыпьте порцию силиконовой смеси в форму слизистой оболочки подготовленным эпителиальным силиконом. Наклоняйте форму до тех пор, пока все внутренние поверхности эпителиального силикона не покроются тонким слоем масла, чтобы облегчить введение позитива.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Опционально: Из-за высокой доли разбавителя смесь имеет длительное время капельного капания, составляющее несколько часов, в течение которого смесь может сжиматься за счет испарения. Поэтому подождите около 2-3 часов, прежде чем переходить к следующим шагам.
   4. Аккуратно вставьте позитив с голосовым телом в форму. Закрепите позитив в форме, например, с помощью зажима, если позитив всплывает на силиконе. В зависимости от количества ранее добавленного силикона, он может вытекать в местах наполнения.
   5. Заполните форму так же, как и для отливки вокального слоя, и долейте соответствующим образом, если материал утонет.
   6. Подождите 24 часа после того, как закончится время капельницы, чтобы силикон полностью затвердел.
   7. Через 24 ч извлеките корпус из формы. Сначала снимите плесень со скорлупы. Затем, начиная с задней части, откройте форму и удалите основную часть формы.
   8. Осторожно удалите излишки силикона, вымойте поверхность и дайте телу высохнуть.
4. Установите две половинки голосовых складок в местах, обозначенных в модуле измерения и сборки в Дополнительном файле кодирования 8. Соединение было рассчитано на два винта M3 и квадратные гайки M3 (DIN 562), но они не являются обязательными.

Результаты

Сфабрикованная модель голосовых складок была интегрирована в измерительную установку, изображенную на дополнительном рисунке 3 , в положении голосовых складок. Установка, подробно описанная в предыдущей публикации¹³, включает в себя многоступенчатый управляемый источник воздушного потока, который стимулирует модели голосовых связок к осцилляции, а также набор измерительных приборов, которые регистрируют такие данные, как звуковое давление, статическое давление в определенных полож...

Обсуждение

Представленный здесь производственный процесс включает в себя важнейшие этапы, которые существенно влияют на его успех. Во-первых, следует отметить, что представленный процесс изготовления не решает проблему насыщения телом голосовой складки, а наоборот обходит некоторые негативные побочные эффекты. Дегазация и связанная с ней усадка и волнистость поверхности все еще сохраняются, хотя и в меньшей степени. Решение этих проблем предполагает использование ультрамягкого силикона или альтернативного материала, который сочетае...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
3D-принтер	ULTIMAKER		Type S5
Программное обеспечение для 3D-печати	ULTIMAKER CURA		версии 5.2.2
САПР	Autodesk Inventor		Версия 2023
Высокоскоростная камера	XIMEA GmbH		MQ013CG-ON
PLA+ 3D-принтер Материал	eSun	нет	белого
Первичный силикон	KauPo Plankenhorn	09301-005-000041	Разделительный агент EcoFlex 00-30
	KauPo Plankenhorn	09291-006-000001	UTS
Универсальный вторичный силикон	KauPo Plankenhorn	09301-005-000181	DragonSkin NV10
Силиконовый разбавитель	KauPo Plankenhorn	09301-010-000002
Материал для 3D-принтера Tougth PLA	BASF		черный