Processo di produzione per modelli di corde vocali super-morbide non adesive

I modelli delle corde vocali sono utilizzati per simulare e studiare la produzione della voce umana in condizioni normali e patologiche ^1,2. Una delle maggiori sfide nella creazione di modelli di corde vocali è quella di ottenere una morbidezza e una flessibilità realistiche che si avvicinino molto a quelle degli esseri umani. Per ottenere queste proprietà, vengono spesso utilizzati elastomeri siliconici, che vengono diluiti con elevate quantità di olio siliconico per ottenere la corrispondente elasticità moduli ^3,4. Un altro fattore cruciale nella creazione di modelli realistici di corde vocali è la stratificazione, poiché le corde vocali sono costituite da più strati di morbidezza variabile, che determinano il modello di vibrazione indotta dal flusso e la frequenza alla quale è possibile la vibrazione.

In questo studio, abbiamo creato un tipico modello di corde vocali. Abbiamo utilizzato la geometria comune fornita da Scherer⁵, che rappresenta le dimensioni tipiche delle corde vocali maschili con una lunghezza di 17 mm secondo Zhang⁶ ed è composta da tre strati: uno strato per il muscolo vocale (strato corporeo), uno per l’intero strato mucoso (strato di copertura) e uno per l’epitelio. Questa struttura può essere vista nella vista della sezione d’urto coronale nella Figura 1.

Figura 1: Sezione d’urto coronale dei moduli laringici. Sezione trasversale coronale dei moduli laringi che illustra la larghezza più ampia delle corde vocali (8,5 mm). Ogni corda vocale comprende uno strato corporeo, uno strato di copertura e uno strato epitelio. Questa cifra è stata modificata da¹³. Riprodotto da Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effetto delle pareti ondulate della trachea sulla pressione di insorgenza dell’oscillazione delle corde vocali in silicone. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) con il permesso della Acoustical Society of America. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Altre pubblicazioni utilizzano parzialmente solo uno strato⁷, due strati senza strato di epitelio² o modellano la mucosa con più strati³. Di solito, gli strati vengono gettati dall’interno verso l’esterno, cioè iniziando dallo strato più profondo. L’epitelio, molto sottile con uno spessore di 30 μm, viene colato all’estremità su tutto il corpo per avvolgerlo con una pelle robusta⁸.

Lo strato di copertura nel modello è la parte più morbida, con un modulo di Young di circa 1,1 kPa⁹. Per lo strato corporeo, il modulo di Young approssimativo in direzione trasversale utilizzando le misurazioni in vitro ¹⁰ è di 2 kPa. In vivo, il modulo di Young del muscolo tireoaritenoideo può essere più alto a causa della presenza di fibre in direzione longitudinale e della possibile tensione del muscolo. Per ottenere questo modulo di Young estremamente basso, è necessario aggiungere un’elevata quantità di olio di silicone alla miscela di silicone (circa il 72%). Tuttavia, il produttore sconsiglia vivamente di utilizzare una percentuale di olio superiore al 5%. In generale, l’aggiunta di olio di silicone all’elastomero ha lo scopo di aumentare il flusso e il tempo di gocciolamento, nonché di ridurre il restringimento del polimero siliconico polimerizzato. Aiuta il silicone a polimerizzare in modo più uniforme, riducendo così lo stress nel materiale. Il suo scopo è quello di ottimizzare la modellabilità e le proprietà del materiale polimerizzato, piuttosto che aumentarne la morbidezza, sebbene anche questa sia una conseguenza. Questo perché l’olio di silicone è chimicamente inerte, il che significa che non può polimerizzarsi da solo e non è integrato nella rete del polimero siliconico¹¹. Invece, rimane come fase liquida nella matrice polimerica, indebolendo la struttura del polimero a livelli più alti e potenzialmente facendolo dissolvere dal materiale polimerizzato e aderire alla superficie. Di conseguenza, sono possibili altre proprietà negative come disturbi di polimerizzazione, vulcanizzazione irregolare, restringimento chimico e fragilità. I modelli di corde vocali con un alto contenuto di olio di silicone sono stati studiati per quanto riguarda l’invecchiamento e la riproducibilità, ed è stato riscontrato che esiste un’elevata variabilità nelle proprietà dei diversi modelli e un cambiamento nelle loro proprietà^{nel tempo 11}.

Quando si producono modelli di corde vocali in modo convenzionale ^7,12, la viscosità dello strato epiteliale può essere un problema in quanto può influenzare l’omogeneità della vibrazione e portare alla rottura dell’epitelio. Sebbene il silicone utilizzato per produrre l’epitelio non sia diluito, si può presumere che l’olio che fuoriesce dallo strato di mucosa adiacente abbia effetti simili sul silicone come se fosse stato diluito. Il problema della viscosità è stato affrontato aggiungendo varie polveri come il talco o la polvere di carbone come strato intermedio tra la mucosa e lo strato epiteliale¹². Questo approccio potrebbe aver avuto successo perché l’olio è stato parzialmente assorbito dalla polvere e, di conseguenza, la viscosità della superficie epiteliale ha potuto essere ridotta.

In questa pubblicazione, mostriamo che il problema della viscosità può essere aggirato con una leggera modifica del processo di produzione delle corde vocali. Cambiando l’ordine di stratificazione e partendo dal silicone epiteliale non diluito (il cosiddetto silicone chiuso), è possibile produrre modelli di corde vocali super morbide non appiccicose. Questo cambiamento coinvolge tipi insoliti di stampi e metodi che vengono presentati e spiegati al meglio sotto forma di video. In questo articolo, descriviamo in dettaglio il nostro processo di produzione e dimostriamo come le proprietà dei modelli di corde vocali possono essere caratterizzate in un’applicazione.