Productieproces voor niet-klevende superzachte stemplooimodellen

Stemplooimodellen worden gebruikt om de menselijke stemproductie onder normale en pathologische omstandigheden te simuleren en te onderzoeken ^1,2. Een van de grootste uitdagingen bij het maken van stemplooimodellen is het bereiken van een realistische zachtheid en flexibiliteit die die van mensen nauw benadert. Om deze eigenschappen te bereiken, worden vaak siliconenelastomeren gebruikt, die worden verdund met grote hoeveelheden siliconenolie om de overeenkomstige elasticiteitsmoduli ^3,4 te bereiken. Een andere cruciale factor bij het maken van realistische stemplooimodellen is gelaagdheid, aangezien stemplooien bestaan uit meerdere lagen van verschillende zachtheid, die het patroon van door stroming geïnduceerde trillingen en de frequentie bepalen waarmee trillingen mogelijk zijn.

In deze studie hebben we een typisch stemplooimodel gemaakt. We gebruikten de gemeenschappelijke geometrie van Scherer⁵, die typische afmetingen weergeeft voor mannelijke stemplooien met een lengte van 17 mm volgens Zhang⁶ en bestaat uit drie lagen: een laag voor de vocalis-spier (lichaamslaag), een voor de hele slijmvlieslaag (deklaag) en een voor het epitheel. Deze structuur is te zien in de coronale dwarsdoorsnede in figuur 1.

Figuur 1: Coronale doorsnede van de strottenhoofdmodules. Coronale dwarsdoorsnede van de strottenhoofdmodules die de breedste breedte van de stemplooien illustreert (8,5 mm). Elke stemplooi bestaat uit een lichaamslaag, een deklaag en een epitheellaag. Dit cijfer is gewijzigd van¹³. Overgenomen uit Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effect van golvende luchtpijpwanden op de oscillatiedruk van siliconen stemplooien. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) met toestemming van de Acoustical Society of America. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Andere publicaties gebruiken gedeeltelijk slechts één laag⁷, twee lagen zonder epitheel laag² of modelleren het slijmvlies met meerdere lagen³. Meestal worden de lagen van binnen naar buiten gegoten, d.w.z. beginnend met de diepste laag. Het epitheel, dat zeer dun is met een dikte van 30 μm, wordt aan het uiteinde over het hele lichaam gegoten om het te omhullen met een stevige huid⁸.

De deklaag in het model is het zachtste deel, met Young’s modulus van ongeveer 1,1 kPa⁹. Voor de lichaamslaag is de geschatte Young-modulus in transversale richting met behulp van in-vitrometingen ¹⁰ 2 kPa. In vivo kan de Young-modulus van de thyreoarytenoïde spier hoger zijn vanwege de aanwezigheid van vezels in de lengterichting en de mogelijke aanspanning van de spier. Om deze extreem lage Young’s modulus te bereiken, is het noodzakelijk om een grote hoeveelheid siliconenolie aan het siliconenmengsel toe te voegen (ongeveer 72%). De fabrikant raadt echter ten zeerste af om een olieaandeel van meer dan 5% te gebruiken. Over het algemeen is de toevoeging van siliconenolie aan het elastomeer bedoeld om de stroom- en druppeltijd te verlengen en de krimp van het uitgeharde siliconenpolymeer te verminderen. Het helpt de siliconen gelijkmatiger uit te harden, waardoor de spanning in het materiaal wordt verminderd. Het doel is om de vormbaarheid en eigenschappen van het uitgeharde materiaal te optimaliseren, in plaats van de zachtheid te vergroten, hoewel dit ook een gevolg is. Dit komt omdat siliconenolie chemisch inert is, wat betekent dat het zichzelf niet kan polymeriseren en niet is geïntegreerd in het netwerk van het siliconenpolymeer¹¹. In plaats daarvan blijft het als een vloeibare fase in de polymeermatrix, waardoor de polymeerstructuur op hogere niveaus verzwakt en mogelijk uit het uitgeharde materiaal oplost en zich aan het oppervlak hecht. Als gevolg hiervan zijn andere negatieve eigenschappen mogelijk, zoals genezingsstoornissen, ongelijkmatige vulkanisatie, chemische krimp en broosheid. Stemplooimodellen met een hoog gehalte aan siliconenolie werden onderzocht met betrekking tot veroudering en reproduceerbaarheid, en er werd vastgesteld dat er een grote variabiliteit is in de eigenschappen van verschillende modellen en een verandering in hun eigenschappen in de loop van de tijd¹¹.

Bij het produceren van stemplooimodellen op de conventionele manier ^7,12 kan de kleverigheid van de epitheellaag een probleem zijn, omdat dit de homogeniteit van de trillingen kan beïnvloeden en kan leiden tot breuk van het epitheel. Hoewel de siliconen die worden gebruikt om het epitheel te maken onverdund zijn, kan worden aangenomen dat de olie die uit de naburige slijmvlieslaag lekt, vergelijkbare effecten heeft op de siliconen alsof deze was verdund. Het probleem van kleverigheid werd aangepakt door verschillende poeders zoals talk of koolstofpoeder toe te voegen als tussenlaag tussen het slijmvlies en de epitheellaag¹². Deze aanpak kan succesvol zijn geweest omdat de olie gedeeltelijk door het poeder werd geabsorbeerd en als gevolg daarvan de kleverigheid van het epitheeloppervlak kon worden verminderd.

In deze publicatie laten we zien dat het probleem van kleverigheid kan worden omzeild door een kleine wijziging van het proces van stemplooiproductie. Door de volgorde van de gelaagdheid te veranderen en te beginnen met de onverdunde epitheliale siliconen (zogenaamde gesloten siliconen), kunnen niet-kleverige superzachte stemplooimodellen worden geproduceerd. Deze verandering omvat ongebruikelijke soorten mallen en methoden die het beste kunnen worden gepresenteerd en uitgelegd in de vorm van een video. In dit artikel beschrijven we ons productieproces in detail en laten we zien hoe de eigenschappen van de stemplooimodellen in een toepassing kunnen worden gekarakteriseerd.