Summary

비접착식 Super-Soft 보컬 폴드 모델의 제조 공정

Published: January 05, 2024
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Summary

이 연구는 성대 층을 생성하는 특정 방법을 소개하고, 제조 절차에 대한 자세한 설명을 제공하고, 모델의 특성을 특성화하여 끈적임이 없고 매우 부드러운 성대 모델의 제조를 보여줍니다.

Abstract

본 연구는 음성 연구를 위한 매우 부드럽고 끈적거리지 않는 성대 모델을 개발하는 것을 목표로 한다. 실리콘 기반 성대 모델의 기존 제조 공정은 끈적임 및 재현성 문제와 같은 바람직하지 않은 특성을 가진 모델을 생성합니다. 이러한 성대 모델은 급격한 노화가 발생하기 쉬우므로 다양한 측정에서 비교 가능성이 떨어집니다. 본 연구에서는 실리콘 소재를 적층하는 순서를 변경하여 제조 공정을 수정하여 끈적임이 없고 매우 일관된 성대 모델을 생산할 것을 제안합니다. 또한 이 방법을 사용하여 생산된 모델을 끈적끈적한 표면에 의해 악영향을 받는 기존에 제조된 성대 모델과 비교합니다. 우리는 제조 공정을 자세히 설명하고 잠재적인 응용 분야에 대한 모델의 특성을 특성화합니다. 이 연구의 결과는 변형된 제작 방법의 효능을 입증하여 끈적거리지 않는 성대 모델의 우수한 품질을 강조합니다. 이 발견은 연구 및 임상 적용을 위한 현실적이고 신뢰할 수 있는 성대 모델 개발에 기여합니다.

Introduction

성대 모델은 정상 및 병리학적 조건에서 인간의 목소리 생성을 시뮬레이션하고 조사하는 데 사용됩니다 1,2. 성대 모델을 만들 때 가장 큰 과제 중 하나는 인간과 거의 유사한 사실적인 부드러움과 유연성을 얻는 것입니다. 이러한 특성을 달성하기 위해 실리콘 엘라스토머가 자주 사용되며, 이는 다량의 실리콘 오일로 희석되어 해당 탄성 계수 3,4를 달성합니다. 사실적인 성대 모델을 만드는 데 있어 또 다른 중요한 요소는 레이어링인데, 성대는 다양한 부드러움의 여러 레이어로 구성되어 흐름으로 인한 진동의 패턴과 진동이 가능한 주파수를 결정하기 때문입니다.

이 연구에서는 전형적인 성대 모델을 만들었습니다. 우리는 Scherer5에서 제공한 공통 기하학을 사용했는데, 이는 Zhang6 에 따라 길이가 17mm인 남성 성대의 일반적인 치수를 나타내며 성대 근육(체층)을 위한 한 층, 전체 점막층(덮개층)을 위한 층, 상피를 위한 다른 층으로 구성된 세 개의 층으로 구성되어 있습니다. 이 구조는 그림 1의 coronal 단면도에서 볼 수 있습니다.

Figure 1
그림 1: 후두 모듈의 관상 단면. 성대의 가장 넓은 너비(8.5mm)를 보여주는 후두 모듈의 관상 단면. 각 성대는 체층, 덮개층 및 상피층으로 구성됩니다. 이 수치는13에서 수정되었습니다. Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. 실리콘 성대의 진동 개시 압력에 대한 물결 모양의 기관 벽의 효과. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) 미국 음향 학회의 허가를 받았습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

다른 간행물에서는 부분적으로1층7, 상피층2 이 없는 2층, 또는 다층3으로 점막을 모델링한다. 일반적으로 레이어는 안쪽에서 바깥쪽으로, 즉 가장 깊은 레이어부터 캐스팅됩니다. 두께 30μm의 매우 얇은 상피를 몸 전체에 주조하여 튼튼한 피부8로 감싸고 있다.

모델의 피복 레이어는 약 1.1kPa9의 영률로 가장 부드러운 부분입니다. 체체층의 경우, in vitro 측정(10 )을 사용한 횡방향 방향의 근사 영률(Young’s modulus)은 2kPa이다. 생체 내에서, 갑상선 근육의 영률(Young’s modulus)은 근육의 긴장 가능성뿐만 아니라 세로 방향의 섬유의 존재로 인해 더 높을 수 있습니다. 이 극도로 낮은 영률을 달성하려면 실리콘 혼합물(약 72%)에 다량의 실리콘 오일을 첨가해야 합니다. 그러나 제조업체는 5% 이상의 오일 비율을 사용하지 말 것을 강력히 권장합니다. 일반적으로 엘라스토머에 실리콘 오일을 첨가하는 것은 경화된 실리콘 폴리머의 수축을 감소시킬 뿐만 아니라 흐름 및 드립 시간을 증가시키기 위한 것입니다. 실리콘이 보다 균일하게 경화되도록 도와 재료의 응력을 줄입니다. 그 목적은 경화된 재료의 부드러움을 증가시키는 것이 아니라 성형성과 특성을 최적화하는 것이지만 이것도 결과입니다. 이는 실리콘 오일이 화학적으로 불활성이기 때문이며, 이는 스스로 중합할 수 없고 실리콘 폴리머(11)의 네트워크에 통합되지 않는다는 것을 의미한다. 대신, 폴리머 매트릭스에서 액상으로 남아 더 높은 수준에서 폴리머 구조를 약화시키고 잠재적으로 경화된 재료에서 용해되어 표면에 부착되도록 합니다. 결과적으로, 경화 장애, 고르지 않은 가황, 화학적 수축 및 취성과 같은 다른 부정적인 특성이 가능합니다. 실리콘 오일 함량이 높은 성대 모델을 노화 및 재현성과 관련하여 조사한 결과, 모델마다 특성의 변동성이 높고 시간이 지남에 따라 특성의 변화가 있는 것으로 나타났다11.

종래의 방식7,12로 성대 모델을 제작할 때, 상피층의 끈적임은 진동의 균질성에 영향을 미치고 상피의 파열로 이어질 수 있기 때문에 문제가 될 수 있다. 상피를 만드는 데 사용되는 실리콘은 희석되지 않았지만 주변 점막층에서 누출되는 오일은 희석된 것처럼 실리콘에 유사한 영향을 미친다고 가정할 수 있습니다. 끈적임의 문제는 점막과 상피층 사이의 중간층으로서 활석 또는 탄소 분말과 같은 다양한 분말을 첨가함으로써 해결되었다(12). 이 접근법은 오일이 분말에 부분적으로 흡수되어 결과적으로 상피 표면의 끈적임을 줄일 수 있었기 때문에 성공적이었을 수 있습니다.

이 간행물에서 우리는 성대 제조 과정을 약간 수정함으로써 끈적임 문제를 피할 수 있음을 보여줍니다. 레이어링 순서를 변경하고 희석되지 않은 상피 실리콘(소위 폐쇄형 실리콘)으로 시작하여 끈적임이 없는 매우 부드러운 성대 모델을 제작할 수 있습니다. 이 변화에는 비디오 형태로 가장 잘 표현되고 설명되는 특이한 유형의 금형 및 방법이 포함됩니다. 이 논문에서는 제조 공정을 자세히 설명하고 응용 분야에서 성대 모델의 특성을 특성화할 수 있는 방법을 보여줍니다.

Protocol

1. 성대 모델 설계 및 부품 3D 프린팅 다양한 부드러운 실리콘 소재를 사용하여 실리콘 성대의 일반적인 M5 형상을 다층으로 표현합니다. CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 개별 부품을 설계합니다. 자세한 내용은 보조 코딩 파일 1, 보조 코딩 파일 2, 보조 코딩 파일 3, 보조 코딩 파일 4, 보조 코딩 파일 5, 보조 코딩 파일 6, 보조 코딩 파일 7, 보조 코딩 파일 8</strong…

Representative Results

제작된 성대 모델은 성대 위치에서 보충 그림 3 에 묘사된 측정 설정에 통합되었습니다. 이전 간행물13에서 광범위하게 상세히 기술된 이 설정은 음압, 특정 위치에서의 정압 및 볼륨 속도와 같은 데이터를 기록하는 일련의 측정 장비와 함께 성대 모델을 진동으로 자극하는 다단계 제어 가능한 공기 흐름 소스로 구성됩니다. 측정을 위해 성대 모델이 진동하기 시작할…

Discussion

여기에 제시된 제조 공정에는 성공에 큰 영향을 미치는 중요한 단계가 포함됩니다. 첫째, 제시된 제조 공정은 성대 본체 재료의 오일 포화 문제를 해결하는 것이 아니라 특정 부정적인 부작용을 회피한다는 점에 유의해야 합니다. 가스 방출과 관련 수축 및 표면 파형은 정도는 덜하지만 여전히 지속됩니다. 이러한 문제에 대한 해결책은 실제 성대의 탄성 계수와 안정적이고 내구성 있는 폴리머 구…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 프로젝트는 독일 연구 재단(DFG)의 지원을 받았습니다. BI 1639/9-1 참조.

Materials

3D Printer ULTIMAKER Type S5
3D Printing software ULTIMAKER CURA Version 5.2.2
CAD Software Autodesk Inventor  Version 2023
High Speed Camera XIMEA GmbH MQ013CG-ON
PLA+ 3D Printer Material  eSun none white
Primary silicone KauPo Plankenhorn 09301-005-000041 EcoFlex 00-30
Release Agent KauPo Plankenhorn 09291-006-000001 UTS Universal
Secondary silicone KauPo Plankenhorn 09301-005-000181 DragonSkin NV10
Silicone Thinner KauPo Plankenhorn 09301-010-000002
Tougth PLA 3D Printer Material  BASF black

References

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Cite This Article
Häsner, P., Birkholz, P. Manufacturing Process for Non-Adhesive Super-Soft Vocal Fold Models. J. Vis. Exp. (203), e66222, doi:10.3791/66222 (2024).

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