Synthetische, Multi-Layer, Self-Oscillerende Vocal Fold Model Fabrication
2 december 2011
De methodologie voor het vervaardigen van synthetische stemplooi modellen is beschreven. De modellen zijn levensgroot en na te bootsen van de multi-layer structuur van de menselijke stemplooien. De resultaten tonen de modellen om zelf oscilleren bij een druk die vergelijkbaar zijn met long-druk-en flow-geïnduceerde vibrerende antwoorden die vergelijkbaar zijn met die van de menselijke stemplooien aan te tonen.
Het algemene doel van deze procedure is het beschrijven en demonstreren van de fabricage van een meerlaags synthetisch zelf-oscillerend stembandmodel. Eerst worden rapid prototype positieven gemaakt op basis van driedimensionale computermodellen. Vervolgens worden gietnegatieven vervaardigd vanuit deze rapid prototypes.
Ten slotte wordt elke laag van het stembandmodel gegoten, waaronder het lichaam, het ligament met de vezel in het centrum, de oppervlakkige lamina propria en het epitheel. Uiteindelijk laten de resultaten, door het vergelijken van de subglottische druk, de vibratiefrequentie, de glottische stroomsnelheid en de beweging van het mediale oppervlak, zien dat de meerlaagse synthetische stembandmodellen vergelijkbare doorstromingsgeïnduceerde responskenmerken vertonen als die van menselijke stembandvibraties. Het belangrijkste voordeel van deze modellen ten opzichte van bestaande meerlaagse modellen, zoals een tweelaags model, is dat de structuur van deze meerlaagse modellen meer lijkt op die van de menselijke VCA-stembanden, waardoor ze geschikter zijn voor onderzoek naar stemproductie.
Creëer eerst solide modellen van drie lagen van de stembanden: de oppervlakkige lamina propria, het ligament en de lichaamslagen. Dit gebeurt doorgaans door 3D computer-aided design (CAD)-modellen met de gewenste geometrieën te maken, deze CAD-modellen te exporteren als stereolithografie- of STL-bestanden en de STL-bestanden te verzenden naar een gespecialiseerd bedrijf voor rapid prototyping.
Construeer een doosvormige mal met behulp van dunne stukken acrylmateriaal. Snijd deze op de gewenste afmetingen. Maak de bodem van de mal door deze met vacuümvet aan een vlakke acrylaatplaat te bevestigen.
Breng een kleine hoeveelheid vacuümvet aan op de zijkant van het vaste model van de gewenste geometrie. Druk het model met de zijde met vacuümvet naar beneden in de bodem van de holte van de gietvorm, zodat het vacuümvet het onderdeel op zijn plaats houdt. Bedek de gietvorm en het vaste model ruimvuldig met een lossingsmiddel met behulp van een kwast; zorg ervoor dat het lossingsmiddel alle hoeken van de holte van de gietvorm bereikt.
Meng 10 delen A en één deel B van smooth cell, nine 50 platina-siliconenrubber in een container die voldoende ruimte biedt voor de volumetoename van het product tijdens het vacuümtrekken. Om eventuele luchtbellen te verwijderen, plaatst u de container in een vacuümkamer en verlaagt u de druk tot ongeveer 26 inch kwik onder de atmosferische druk gedurende ongeveer drie minuten. Haal de DGAs-siliconen uit de kamer en giet deze in een holte van een mal.
Plaats dit opnieuw in de vacuümkamer en de DGA's. Verwijder de mal uit de vacuümkamer en plaats deze op een vlak oppervlak. Laat de mal 24 uur uitharden. Nadat het rubber is uitgehard, verwijdert u de mal uit de malvorm.
Herhaal dit proces om mallen te maken voor elk van de andere vaste modelgeometrieën. Zodra alle mallen zijn gemaakt, snijdt u met een scheermes de mal van de ligamentlaag in het midden van het mediale oppervlak in anteroposteriore richting door om de invoering van vezels mogelijk te maken voor het gieten van de lichaamslaag. Breng eerst met een penseel een dunne laag lossingsmiddel aan in de holte van de lichaamsmal.
Meng één deel B en één deel A van eFlex 0 0 30 super soft platinum silicone. Voeg vervolgens één deel siliconenverdunner toe om de uiteindelijke stijfheid van het uitgeharde materiaal te verminderen. Meng gedurende 30 seconden en plaats het mengsel vervolgens gedurende één minuut in de vacuümkamer.
Om ingesloten lucht te verwijderen, haalt u het mengsel uit het vacuüm en giet u het in de holte van de lichaamsmal, maar vul deze niet tot aan de rand. Plaats de mal in een oven die is voorverwarmd tot 200 degrees Fahrenheit gedurende 30 minuten. Haal de mal na het bakken uit de oven en laat deze afkoelen.
Maak vervolgens het model voor de lichaamsondersteuning door één deel B en één deel A van dragon skin te mengen. Voeg één deel siliconenverdunner toe en meng dit gedurende 30 seconden krachtig. Nadat eventuele luchtbellen met behulp van het vacuüm zijn verwijderd, wordt het mengsel in de holte van de lichaamsmal gegoten tot deze volledig gevuld is.
Plaats de mal 30 minuten in een oven op 200 graden Fahrenheit. Zodra deze is afgekoeld, wordt het model uit de mal verwijderd. Verwijder vervolgens met een papieren handdoek alle loslaatmiddelen van het oppervlak van de body-laag.
Om de ligamentlaag te gieten, brengt u met een kwast een dunne laag lossingsmiddel aan op het oppervlak van de holte van de ligamentvorm. Plaats een 30 centimeter lange draad in de vorm door deze grondig in de inkeping van het scheermes te duwen. Meng één deel B en één deel A van eco Lex 0, 0 30 met vier delen siliconenverdunner.
Plaats het mengsel in de vacuümkamer om luchtbellen te verwijderen en giet het mengsel vervolgens in de holte van de ligamentmal. Druk het body backing model in de holte van de ligamentmal. Begin de insertie aan één zijde en beweeg voorzichtig naar de andere zijde, zodat het model het overtollige onuitgeharde silicone en de luchtbellen uit de malholte duwt.
Laat de mal afkoelen na 30 minuten bakken en verwijder het model. Veeg eventueel lossingsmiddel weg met papieren handdoeken. Om de oppervlakkige lamina propria of SLP-laag te gieten, brengt u met een verfkwast een dunne laag lossingsmiddel aan op het oppervlak van de SLP-malholte.
Meng naar gewicht één deel B, één deel A van eco flex, 0 0 30 en acht delen siliconenverdunner in een vacuüm, en giet het mengsel in de holte van de mal. Plaats het model van de ligamentbody-onderlaag in de SLP-malholte. Na het bakken bij 200 °F gedurende één uur en het afkoelen, wordt het model langzaam en met uiterste zorg verwijderd, zodat de oppervlakkige lamina propria intact blijft. Plaats ten slotte voor de epitheellaag het model van de stemplooi met de onderlaag naar beneden op een vlak oppervlak en verwijder het steunmateriaal met een scheermesje.
Hang de draden in de lucht door ze te bevestigen aan een object dat hoger is dan het model. Meng één deel B en één deel A van dragon skin met één deel siliconenverdunner, ontlucht dit in een vacuüm en giet het mengsel over het model; laat dit vervolgens één uur uitharden. Herhaal dit proces om een dikkere laag aan te brengen. Nadat het model volledig is uitgehard, wordt het overtollige materiaal met een scheermes verwijderd. Monteer elk voltooid model van de stemplooien in een acryl montageplaat door eerst een dunne laag siliconenlijm aan te brengen op de laterale en anteroposterieure oppervlakken van het model.
Plaats het model in de uitsparing van de montageplaat en richt het mediale oppervlak van het model uit met de bovenkant van de acrylplaat. Veeg overtollige lijm weg en laat de lijm uitharden. Breng gedurende één uur talkpoeder aan op het modeloppervlak om de plakkerigheid van het oppervlak te verminderen voor de tracking van het mediale oppervlak.
Gebruik een Sharpie-stift met een fijne punt om stippen op het model aan te brengen. Nadat het talk is aangebracht, worden lange bouten door de gaten van de montageplaat gestoken, waarbij de schroefdraadeinden naar het model wijzen waarmee het bestaande model gekoppeld zal worden. Leg de draden over de bouten en plaats gesloten-cel schuim over de bouten om eventuele luchtspleten te dichten.
Koppel dit voorbereide model aan een ander stembandmodel dat op een vergelijkbare manier op een acrylhouder is gemonteerd. Draai de schroeven aan om het schuim samen te persen en de mediale oppervlakken naar elkaar toe te brengen totdat de gewenste gap vóór de vibratie is bereikt. Zorg ervoor dat beide sets schroefdraden over de bouten zijn geplaatst en in anterior-posterieure richting uitsteken vanaf de acrylplaten, en monteer vervolgens het stembandpaar op een luchttoevoerbuis.
Knoop de anterieure draden aan elkaar om een lus te vormen, gevolgd door de posterieure draden; hang gelijktijdig het gewenste gewicht aan de lus en ga over tot testen en gegevensverzameling. Met gebruik van het vervaardigde model, waarbij een spanning van ongeveer 31 gram op de vezels werd uitgeoefend, was de onset-druk 400 pascals bij een subglottische druk van 10% boven de onset-druk. Het model vibreerde bij 115 hertz met een glottische stroomsnelheid van 210 milliliters per seconde.
Deze waarden stemmen goed overeen met de gerapporteerde waarden voor mensen. High-speed video-opnamen van het trillende model lieten zien dat het zich met een meer levensgetrouwe beweging verplaatst dan eerdere modellen met twee lagen. Ter vergelijking.
In deze video van het superieure oppervlak van een tweelaags model is er geen mucosa-golf zichtbaar en het glottisprofiel lijkt gedurende de cyclus grotendeels divergent te zijn. Deze beperking van tweelaags modellen kan beter worden waargenomen in high-speed video-opnamen van het tweelaags model in een hemi-larynxconfiguratie. Bekijk nu de high-speed opnamen van het superieure aanzicht van het nieuwe meerlaagse model.
Bewijs van een mucosagolf is zichtbaar en het profiel van de glottis lijkt nu niet langer divergent gedurende de gehele cyclus. Een videogram van de hogesnelheidsopname van het bovenaanzicht van het nieuwe meerlaagsmodel onthult bewijs van een faseverschil tussen de superieure en inferieure randen. De superieure rand bedekt de inferieure rand tijdens de open fase van de vibratieperiode.
Hogesnelheidsvideo van het nieuwe meerlaagsmodel in een Hemi-larynxconfiguratie levert sterker bewijs voor de mucosale golf en de afwisselende convergerende-divergerende beweging die kenmerkend is voor de menselijke stemband. Vibratietrajecten geëxtraheerd uit stereobeelden van de stippen die zijn aangebracht op de mediale en inferieure oppervlakken van het stembandmodel. Dit toont aan dat het model een afwisselend convergerend-divergerend profiel vertoont dat typisch is voor menselijke fonatie.
De punten zijn gelabeld van A tot F, beginnend bij het laagste punt. De linker grafiek toont een convergente glottis tijdens de openingsfase, en de rechter grafiek toont een divergente glottis tijdens de sluitingsfase. Deze methode voor het fabriceren van synthetische stembandmodellen levert modellen op die een vibratiegedrag vertonen dat vergelijkbaar is met dat van menselijke stembanden.
Het meerlaagsconcept biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van eerdere modellen met één of twee lagen, wat zich vertaalt in een kortere aanlooptijd en een verbeterde beweging van het model. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om slechts de benodigde hoeveelheid lossingsmiddel te gebruiken, zodat de lagen goed aan elkaar hechten.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft de fabricage van meerlaagse synthetische stembandmodellen die de structuur van menselijke stembanden nabootsen. De modellen zijn ontworpen om zelf-oscillerend te zijn onder drukwaarden die vergelijkbaar zijn met die in menselijke longen, waarbij vibratoire responsen worden vertoond die lijken op het natuurlijke gedrag van stembanden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biomedische Techniek
- Stemproductieonderzoek
Achtergrond
- De stembanden spelen een cruciale rol bij de stemproductie.
- Bestaande modellen missen vaak de complexiteit van de menselijke stembandstructuur.
- Meerlaagse modellen kunnen betere inzichten bieden in de dynamiek van de stembanden.
- Zelfoscillatie in synthetische modellen kan het gedrag van menselijke stembanden nabootsen.
Doel van de studie
- Het vervaardigen van een synthetisch stembandmodel dat de lagen van de menselijke stembanden nauwkeurig representeert.
- Het vergelijken van de vibratiekenmerken van het synthetische model met die van menselijke stembanden.
- Het verbeteren van de toepasbaarheid van synthetische modellen in stemonderzoek.
Gebruikte methoden
- Creatie van snelle prototype-positieven op basis van 3D-computermodellen.
- Ontwikkeling van mal-negatieven vanuit de prototypes.
- Het gieten van elke laag van het stemplooimodell, inclusief het lichaam, het ligament en het epitheel.
- Meting van de subglottische druk, de vibratiefrequentie en de glottische stroomsnelheid.
Belangrijkste resultaten
- De synthetische modellen vertoonden zelfoscillatie bij longdrukwaarden.
- De vibratie-responsen waren vergelijkbaar met die van menselijke stembanden.
- De door stroming geïnduceerde responsen kwamen overeen met die waargenomen bij natuurlijke stembandvibratie.
- De meerlaagse structuur verbeterde de relevantie van het model voor stemproductieonderzoeken.
Conclusies
- De synthetische stembandmodellen zijn effectief voor het bestuderen van stemproductie.
- Deze modellen bieden een nauwere benadering van de menselijke stembanddynamiek.
- Toekomstig onderzoek kan deze modellen benutten voor geavanceerde stemstudies.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor leidinggevenden
Synthetische modellen van de stembanden die de weefsellagen van de mens nabootsen, maken een fysiologisch relevantere preklinische evaluatie van stemtherapieën en diagnostische instrumenten mogelijk. Door de onsetdruk en de vibratoire getrouwheid te verbeteren, verminderen deze modellen de biologische ambiguïteit bij de vroege validatie van targets voor larynxaandoeningen. Dit vergroot het voorspellend vertrouwen bij de identificatie van lead-verbindingen en de portfolio-triage voor respiratoire en neuromusculaire indicaties die de fonatie beïnvloeden.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen te onderzoeken die gericht zijn op de biomechanica van de stembanden en de voortplanting van de mucosale golf.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar systeem voor het beoordelen van de target-interactie onder condities van door stroming geïnduceerde oscillatie.
- Strategische waarde: Ondersteunt go/no-go-beslissingen door het modelleren van een mensachtige vibratiereactie op farmacologische of mechanische interventies.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert kwantitatieve, laagafhankelijke resultaten zoals de glottis-stroomvoet en de beweging van het mediale oppervlak voor het screenen van verbindingen.
- Operationele waarde: Maakt gestandaardiseerde, reproduceerbare vibratietesten mogelijk over meerdere modeliteraties met gecontroleerde materiaaleigenschappen.
- Strategische waarde: Faciliteert de assay-gereedheid voor high-throughput evaluatie van verbindingen die de stijfheid of viscositeit van de stembanden beïnvloeden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Modelleert ziekterelevante structurele veranderingen door systematische variatie in de eigenschappen van het epitheel, de ligamenten en de lichaamslagen mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Slaat een brug tussen discovery- en preklinische workflows door zelfoscillerend gedrag onder fysiologische subglottische druk.
- Strategische waarde: Ondersteunt risico-gecorrigeerde voortgang door de translationele continuïteit van in vitro-modellen naar excised larynx- of in vivo-studies te voorspellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit model past binnen het ontdekkingscontinuüm, van het testen van hypothesen over targets via lead-optimalisatie tot preklinische validatie, in het bijzonder voor modaliteiten die gericht zijn op de mechanica van stemplooeweefsel.
- Discovery Biology: Ondersteunt mechanistische risicoreductie door de bijdrage van individuele weefsellagen aan vibratiedynamica te isoleren.
- Screening: Maakt beoordeling van compound-effecten op de onset-druk en frequentiestabiliteit als functionele biomarkers mogelijk.
- Analytics: Levert meetbare output, waaronder vibratiefrequentie (115 Hz), glottale stroomsnelheid (210 mL/s) en onset-druk (400 Pa) voor comparatieve conditieanalyse.
- Translationeel Onderzoek: Demonstreert de vorming van de mucosale golf, een belangrijke biomarker voor gezonde fonatie, wat correlatie met klinische eindpunten mogelijk maakt.
- Enterprise Reuse: De workflow voor gieten en vormen maakt replicatie tussen laboratoria en modelvarianten mogelijk, wat bijdraagt aan platformstandaardisatie.
Operationele en Bedrijfsmatige Impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindering van mechanistische ambiguïteit in stemproductiemodellering door middel van een biomimetische meerlaagse architectuur.
- Operationele waarde: Een gestandaardiseerd fabricageprotocol waarborgt de reproduceerbaarheid tussen laboratoria en de schaalbaarheid voor preklinische screeningscampagnes.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door de afhankelijkheid van geëxciteerde larynxmodellen met een beperkte vibratieduur te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt een vroegere identificatie mogelijk van verbindingen met gunstige vocale veiligheidsprofielen, waardoor uitval in een laat stadium bij stemgerelateerde indicaties wordt verminderd.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in rapid prototyping, siliconengieten en vacuümondersteunde ontgassing voor de getrouwheid van de lagen.
- Is afhankelijk van toegang tot vacuümkamers, precisieovens en high-speed imagingsystemen voor functionele validatie.
- Vereist afstemming tussen teams van biomaterialen, biomechanica en stemonderzoek voor een consistente specificatie van de laageigenschappen.
- Moet rekening houden met materiaalspecifieke uithardingsdrempels bij het aanpassen van het model aan stijfheids- of viscositeitsprofielen die relevant zijn voor de ziekte.
- Wordt beperkt door de noodzaak van handmatige uitlijning van lagen en vezelinvoeging, wat variabiliteit kan introduceren in high-throughput omgevingen.
