Sintetico, Multi-Layer, Auto-oscillante Fabrication Vocal modello Fold
2 dicembre 2011
La metodologia per la realizzazione di modelli di sintesi vocale volte viene descritta. I modelli sono a grandezza naturale e imitare la struttura multi-strato delle pieghe della voce umana. I risultati mostrano i modelli di auto-oscillare a pressioni paragonabili a pressione polmonare e dimostrare risposte vibratorio flusso indotto che sono simili a quelle di umani corde vocali.
L'obiettivo generale di questa procedura è descrivere e dimostrare la fabbricazione di un modello sintetico multistrato di corde vocali auto-oscillanti. Innanzitutto vengono creati dei prototipi rapidi positivi a partire da modelli informatici tridimensionali. Successivamente, da tali prototipi rapidi vengono realizzati dei negativi per stampi.
Infine, ogni strato del modello della corda vocale viene realizzato mediante stampaggio, inclusi il corpo, il legamento con la fibra al centro, la lamina propria superficiale e l'epitelio. Confrontando infine la pressione sottoglottica, la frequenza di vibrazione, la portata del flusso glottico e il movimento della superficie mediale, i risultati mostrano che i modelli sintetici multistrato delle corde vocali presentano caratteristiche di risposta indotte dal flusso simili a quelle della vibrazione delle corde vocali umane. Il principale vantaggio di questi modelli rispetto ai modelli multistrato esistenti, come il modello a due strati, è che la struttura di questi modelli multistrato risulta più simile a quella delle corde vocali umane, rendendoli più adatti per la ricerca sulla produzione della voce.
Per prima cosa, creare modelli solidi dei tre strati delle corde vocali, il legamento della lamina propria superficiale e gli strati corpo. Questo viene tipicamente fatto creando modelli tridimensionali assistiti da computer, o modelli CAD, con le geometrie desiderate, esportando i modelli CAD in file stereolitografici, o file STL, e inviando i file STL a un laboratorio specializzato in prototipazione rapida.
Costruire una forma a stampo di forma rettangolare utilizzando pezzi sottili di materiale acrilico. Tagliare alle dimensioni desiderate. Realizzare il fondo della forma aderendolo a una piastra acrilica piatta con grasso da vuoto.
Applicare una piccola quantità di grasso per vuoto sul lato laterale del modello solido della geometria desiderata. Premere il modello sul fondo della cavità dello stampo, con il lato del grasso per vuoto rivolto verso il basso, in modo che il grasso trattenga il pezzo in posizione. Rivestire abbondantemente lo stampo e il modello solido con agente distaccante utilizzando un pennello, assicurandosi che l'agente distaccante raggiunga tutti gli angoli della cavità dello stampo.
Mescolare 10 parti di componente A e una parte di componente B del silicone platinico liscio al 50% in un contenitore che consenta l'espansione del volume del prodotto durante la messa sotto vuoto. Per rimuovere eventuali bolle d'aria, posizionare il contenitore in una camera a vuoto e ridurre la pressione a circa 26 pollici di mercurio sotto la pressione atmosferica per circa tre minuti. Rimuovere il silicone per DGAs dalla camera e versarlo in una cavità dello stampo.
Posizionare il tutto nella camera a vuoto e applicare nuovamente il vuoto. Rimuovere lo stampo dalla camera a vuoto e posizionarlo su una superficie piana. Lasciare polimerizzare per 24 ore. Dopo che la gomma è indurita, rimuovere lo stampo dalla forma dello stampo.
Ripetere questo processo per creare stampi per ciascuna delle altre geometrie del modello solido. Una volta creati tutti gli stampi, tagliare lo stampo del livello legamentoso al centro della superficie mediale in direzione antero-posteriore con un rasoio affilato, per consentire l'inserimento delle fibre per la realizzazione del livello corporeo. Applicare innanzitutto uno strato sottile di agente distaccante nella cavità dello stampo del corpo utilizzando un pennello.
Mescolare una parte di B e una parte di A di silicone platinico supermorbido eFlex 0 0 30. Quindi aggiungere una parte di diluente per silicone per ridurre la rigidità finale del materiale indurito. Mescolare per 30 secondi, quindi inserire in camera a vuoto per un minuto.
Per rimuovere l'aria intrappolata, togliere la miscela dal vuoto e versarla nella cavità dello stampo, senza riempire completamente fino all'orlo. Posizionare lo stampo in un forno preriscaldato a 200 gradi Fahrenheit per 30 minuti. Dopo la cottura, rimuovere lo stampo dal forno e lasciarlo raffreddare.
Successivamente, creare il modello di supporto del corpo mescolando una parte B e una parte A di dragon skin. Aggiungere una parte di diluente per silicone e mescolare energeticamente per 30 secondi. Dopo aver eliminato le bolle d'aria mediante vuoto, versare il composto nella cavità dello stampo del corpo fino a riempirla completamente.
Posizionare lo stampo in un forno a 200 gradi Fahrenheit per 30 minuti. Dopo il raffreddamento, rimuovere il modello dallo stampo. Quindi eliminare qualsiasi agente distaccante presente sulla superficie dello strato corporeo con un tovagliolo di carta.
Per realizzare lo strato del legamento, applicare uno strato sottile di agente distaccante sulla superficie della cavità dello stampo per il legamento utilizzando un pennello. Posizionare un filo lungo 30 centimetri nello stampo spingendolo completamente all'interno del taglio effettuato con il rasoio. Mescolare una parte di B e una parte di A di eco Lex 0, 0 30 e quattro parti di diluente per silicone.
Posizionare la miscela nella camera a vuoto per rimuovere le bolle d'aria, quindi versare la miscela nella cavità dello stampo per il legamento. Premere il modello di supporto nella cavità dello stampo per il legamento. Iniziare l'inserimento da un lato e spostarsi delicatamente verso l'altro in modo che il modello spinga fuori dalla cavità dello stampo l'eccesso di silicone non indurito e le bolle d'aria.
Dopo aver cotto per 30 minuti, lasciare raffreddare lo stampo ed estrarre il modello. Rimuovere eventuali agenti distaccanti con tovaglioli di carta. Per realizzare lo strato di lamina propria superficiale (SLP), applicare un sottile strato di agente distaccante sulla superficie della cavità dello stampo SLP utilizzando un pennello.
Mescolare una parte B, una parte A di eco flex, 0 0 30 e otto parti di diluente per silicone in peso sotto vuoto, quindi versare la miscela nella cavità dello stampo. Inserire il modello di supporto della struttura del legamento nella cavità dello stampo SLP. Dopo aver cotto a 200 gradi Fahrenheit per un'ora e aver raffreddato, rimuovere il modello lentamente e con estrema cautela in modo che la lamina propria superficiale rimanga intatta. Infine, per lo strato epiteliale, posizionare il modello della corda vocale su una superficie piana con il supporto rivolto verso il basso e rimuovere il materiale di sostegno con un rasoio dritto.
Sospendere i fili in aria fissandoli a un oggetto più alto rispetto al modello. Dopo aver mescolato una parte B e una parte A di dragon skin con una parte di diluente per silicone ed aver sottoposto il composto al vuoto, versarlo sul modello e lasciar polimerizzare per un'ora. Ripetere il procedimento per creare uno strato più spesso e, una volta completata la polimerizzazione del modello, rimuovere il materiale in eccesso con un rasoio a lama fissa. Montare ciascun modello di piega vocale completato in una piastra di supporto in acrilico applicando innanzitutto uno strato sottile di colla al silicone sulle superfici laterali e anteriore-posteriori del modello.
Inserire il modello nell'incavo della piastra di montaggio e allineare la superficie mediale del modello con la parte superiore della piastra in acrilico. Rimuovere la colla in eccesso e lasciare indurire la colla. Per un'ora, applicare polvere di talco sulla superficie del modello per ridurre l'adesività superficiale durante il tracciamento della superficie mediale.
Utilizzare una penna indelebile a punta fine per tracciare dei punti sul modello. Dopo aver applicato il talco, inserire bulloni lunghi nei fori della piastra di montaggio con le estremità filettate rivolte verso il modello al quale verrà accoppiato il modello esistente. Appoggiare i teli sui bulloni e posizionare della schiuma a cellule chiuse sui bulloni per chiudere eventuali spazi d'aria.
Accoppia questo modello preparato con un altro modello della corda vocale che è stato analogamente montato su un supporto in acrilico. Stringere le viti per comprimere la schiuma e avvicinare le superfici mediali fino a raggiungere l'apertura pre-vibratoria desiderata. Assicurarsi che entrambi i gruppi di fili siano posizionati sopra i bulloni ed escano verso l'esterno dalle lastre acriliche in direzione anteriore-posteriore, quindi montare la coppia di corde vocali su un tubo di alimentazione dell'aria.
Legare insieme i fili anteriori per formare un cappio, seguiti dai fili posteriori, appendere il peso desiderato sul cappio contemporaneamente e procedere al test e alla raccolta dei dati. Utilizzando il modello realizzato con una tensione di circa 31 grammi applicata alle fibre, la pressione di innesco è stata di 400 pascal a una pressione sottoglottica del 10% superiore alla pressione di innesco. Il modello ha vibrato a 115 hertz con una portata glottica di 210 millilitri al secondo.
Questi valori sono in buon accordo con quelli riportati per gli esseri umani. Registrazioni video ad alta velocità del modello vibrante hanno mostrato che esso si muove con un movimento più simile a quello reale rispetto ai precedenti modelli a due strati. A scopo di confronto.
In questo video della superficie superiore di un modello a due strati, non è presente alcuna onda mucosa e il profilo della glottide appare prevalentemente divergente per tutta la durata del ciclo. Questa limitazione dei modelli a due strati può essere osservata più chiaramente nelle registrazioni ad alta velocità del modello a due strati in configurazione di emilaringe. Esaminando le registrazioni ad alta velocità della vista superiore del nuovo modello multistrato.
È possibile osservare evidenze di un'onda mucosa e il profilo della glottide non appare più divergente durante tutto il ciclo. Un videogramma della registrazione ad alta velocità della vista superiore del nuovo modello multistrato rivela evidenze di una differenza di fase tra i margini superiore e inferiore. Il margine superiore nasconde il margine inferiore durante la fase aperta del periodo di vibrazione.
Un video ad alta velocità del nuovo modello multistrato in una configurazione di emilaringe fornisce prove più solide dell'onda mucosale e del movimento alternato convergente-divergente, caratteristico delle corde vocali umane. Le traiettorie di vibrazione estratte da immagini stereo dei punti applicati sulle superfici mediale e inferiore del modello della corda vocale mostrano che il modello presenta un profilo alternato convergente-divergente tipico della fonazione umana.
I punti sono etichettati da A a F a partire dal punto più basso. Il grafico a sinistra mostra una glottide convergente durante la fase di apertura, mentre quello a destra mostra una glottide divergente durante la fase di chiusura. Questo metodo di fabbricazione di modelli sintetici delle corde vocali produce modelli che presentano un comportamento vibratorio simile a quello delle corde vocali umane.
Il concetto multistrato offre significativi vantaggi rispetto ai precedenti modelli monolayer e bilayer in termini di riduzione dell'insorgenza e di miglioramento del movimento del modello. Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante utilizzare solo la quantità necessaria di agenti distaccanti in modo che gli strati aderiscano correttamente tra loro. Quindi.
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Panoramica
Questo articolo descrive la fabbricazione di modelli sintetici delle corde vocali a strati multipli che imitano la struttura delle corde vocali umane. I modelli sono progettati per auto-oscillare sotto pressioni simili a quelle presenti nei polmoni umani, dimostrando risposte vibratorie paragonabili al comportamento naturale delle corde vocali.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Ingegneria Biomedica
- Ricerca sulla Produzione della Voce
Antefatto
- Le corde vocali svolgono un ruolo fondamentale nella produzione della voce.
- I modelli esistenti spesso non rispecchiano la complessità della struttura delle corde vocali umane.
- Modelli multistrato possono fornire una migliore comprensione della dinamica delle corde vocali.
- L'auto-oscillazione nei modelli sintetici può imitare il comportamento delle corde vocali umane.
Scopo dello studio
- Realizzare un modello sintetico della corda vocale che rappresenti accuratamente gli strati della corda vocale umana.
- Confrontare le caratteristiche vibratorie del modello sintetico con quelle delle corde vocali umane.
- Migliorare l'applicabilità dei modelli sintetici nella ricerca sulla voce.
Metodi Utilizzati
- Creazione di prototipi rapidi positivi a partire da modelli informatici 3D.
- Sviluppo di negativi per stampi a partire dai prototipi.
- Colata di ogni strato del modello della corda vocale, compresi corpo, legamento ed epitelio.
- Misurazione della pressione sottoglottica, della frequenza di vibrazione e della portata del flusso glottico.
Risultati principali
- I modelli sintetici hanno mostrato auto-oscillazione a livelli di pressione polmonare.
- Le risposte vibratorie erano simili a quelle delle corde vocali umane.
- Le risposte indotte dal flusso corrispondevano a quelle osservate nella vibrazione naturale delle corde vocali.
- La struttura multistrato ha migliorato l'adeguatezza del modello per gli studi sulla produzione della voce.
Conclusioni
- I modelli sintetici delle corde vocali sono efficaci per lo studio della produzione della voce.
- Questi modelli forniscono un'approssimazione più accurata della dinamica delle corde vocali umane.
- La ricerca futura potrà sfruttare questi modelli per studi avanzati sulla voce.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Modelli sintetici delle corde vocali che replicano la stratificazione del tessuto umano permettono una valutazione preclinica più fisiologicamente rilevante di terapie e strumenti diagnostici per la voce. Migliorando la pressione di insorgenza e la fedeltà della vibrazione, questi modelli riducono l'ambiguità biologica nella validazione precoce degli obiettivi terapeutici per i disturbi laringei. Ciò consente una maggiore affidabilità predittiva nell'identificazione dei candidati promettenti e nella selezione del portafoglio per indicazioni respiratorie e neuromuscolari che interessano la fonazione.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche rivolte alla biomeccanica delle corde vocali e alla propagazione dell'onda mucosale.
- Valore operativo: Fornisce un sistema riproducibile per valutare il legame al bersaglio in condizioni di oscillazione indotta dal flusso.
- Valore strategico: Supporta decisioni di avanzamento o interruzione dello sviluppo modellando la risposta vibratoria simile a quella umana a interventi farmacologici o meccanici.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce letture quantitative dipendenti dallo strato, come la portata del flusso glottico e il movimento della superficie mediale, per lo screening di composti.
- Valore operativo: Permette test di vibrazione standardizzati e ripetibili su diverse iterazioni del modello con proprietà dei materiali controllate.
- Valore strategico: Favorisce la prontezza del saggio per la valutazione ad alto rendimento di composti che influenzano la rigidità o la viscosità delle corde vocali.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Modella alterazioni strutturali rilevanti per la patologia consentendo una variazione sistematica delle proprietà degli strati epiteliale, legamentoso e corporeo.
- Valore operativo: Collega le fasi di scoperta e preclinica attraverso un comportamento auto-oscillante sotto pressioni sottoglottiche fisiologiche.
- Valore strategico: Guida l' avanzamento basato sulla valutazione del rischio prevedendo la continuità traslazionale da modelli in vitro a studi su laringe escissa o in vivo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo modello si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla verifica dell'ipotesi sul bersaglio fino all'ottimizzazione del composto promettente e alla validazione preclinica, in particolare per le modalità terapeutiche rivolte alla meccanica dei tessuti delle corde vocali.
- Biologia della scoperta: Supporta la riduzione del rischio meccanicistico isolando il contributo di singoli strati tissutali alla dinamica vibratoria.
- Screening: Permette la valutazione degli effetti dei composti sulla pressione di insorgenza e sulla stabilità della frequenza come biomarcatori funzionali.
- Analisi: Fornisce parametri misurabili, inclusi la frequenza delle vibrazioni (115 Hz), la portata del flusso glottico (210 mL/s) e la pressione di insorgenza (400 Pa), per l'analisi comparativa tra condizioni diverse.
- Ricerca traslazionale: Dimostra la formazione dell'onda mucosale, un biomarcatore chiave della fonazione sana, consentendo la correlazione con endpoint clinici.
- Riutilizzo aziendale: Il flusso di lavoro di modellatura e stampo consente la riproduzione tra diversi laboratori e varianti del modello, favorendo la standardizzazione della piattaforma.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduzione dell'ambiguità meccanicistica nella modellizzazione della produzione della voce grazie a un'architettura biomimetica multistrato.
- Valore operativo: Un protocollo di fabbricazione standardizzato garantisce riproducibilità tra laboratori e scalabilità per campagne di screening preclinico.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale riducendo la dipendenza da modelli di laringe escissa con durata limitata di vibrazione.
- Impatto sul portafoglio: Consente un'identificazione più precoce di composti con profili di sicurezza vocale favorevoli, riducendo l'abbandono in fasi avanzate per indicazioni legate alla voce.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella prototipazione rapida, nella stampa in silicone e nella degasificazione assistita da vuoto per garantire la fedeltà degli strati.
- Richiede l'accesso a camere a vuoto, forni di precisione e sistemi di imaging ad alta velocità per la validazione funzionale.
- Necessita di un allineamento tra gruppi multidisciplinari di biomateriali, biomeccanica e ricerca sulla voce per definire in modo coerente le proprietà degli strati.
- Deve tenere conto delle soglie di polimerizzazione specifiche per ogni materiale quando si adatta il modello a profili di rigidità o viscosità rilevanti per le malattie.
- È limitato dalla necessità di allineamento manuale degli strati e inserimento delle fibre, che può introdurre variabilità in contesti ad alta produttività.
