Процесс производства неадгезивных сверхмягких моделей голосовых фолдов

Модели голосовых связок используются для моделирования и исследования голосовой продукции человека в нормальных и патологических условиях ^1,2. Одной из самых больших проблем при создании моделей голосовых складок является достижение реалистичной мягкости и гибкости, которые очень близки к человеческим. Для достижения этих свойств часто используют силиконовые эластомеры, которые разбавляют большим количеством силиконового масла для достижения соответствующих модулей упругости ^3,4. Еще одним важным фактором в создании реалистичных моделей голосовых складок является многослойность, поскольку голосовые складки состоят из нескольких слоев различной мягкости, которые определяют характер вибрации, вызванной потоком, и частоту, на которой возможна вибрация.

В этом исследовании мы создали типичную модель голосовых связок. Мы использовали общую геометрию Шерера⁵, которая представляет собой типичные размеры мужских голосовых складок длиной 17 мм по Zhang⁶ и состоит из трех слоев: один слой для голосовой мышцы (слой тела), один для всего слоя слизистой оболочки (покровный слой) и один для эпителия. Эту структуру можно увидеть на корональном сечении на рисунке 1.

Рисунок 1: Корональное сечение модулей гортани. Корональный срез модулей гортани, иллюстрирующий самую широкую ширину голосовых складок (8,5 мм). Каждая голосовая складка состоит из слоя тела, покровного слоя и слоя эпителия. Эта цифра была изменена с¹³. Воспроизведено по Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Влияние волнистых стенок трахеи на давление начала колебаний силиконовых голосовых складок. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) с разрешения Акустического общества Америки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

В других публикациях частично используется только один слой⁷, два слоя без слоя эпителия² или моделируется слизистая оболочка с несколькими слоями³. Обычно слои отливают изнутри наружу, т.е. начиная с самого глубокого слоя. Эпителий, очень тонкий, толщиной 30 мкм, отбрасывается концом по всему телу, чтобы обволакивать его прочной кожей⁸.

Покровный слой в модели является самой мягкой частью, с модулем Юнга около 1,1 кПа⁹. Для слоя тела приблизительный модуль Юнга в поперечном направлении с использованием измерений in vitro ¹⁰ составляет 2 кПа. In vivo модуль Юнга щитовидной мышцы может быть выше из-за наличия волокон в продольном направлении, а также возможного напряжения мышцы. Чтобы достичь этого чрезвычайно низкого модуля Юнга, необходимо добавить в силиконовую смесь большое количество силиконового масла (примерно 72%). Тем не менее, производитель настоятельно не рекомендует использовать долю масла более 5%. В целом, добавление силиконового масла в эластомер предназначено для увеличения текучести и времени стекания, а также уменьшения усадки отвержденного силиконового полимера. Это помогает силикону затвердевать более равномерно, тем самым снижая напряжение в материале. Его целью является оптимизация формуемости и свойств отвержденного материала, а не повышение его мягкости, хотя это тоже является следствием. Это связано с тем, что силиконовое масло химически инертно, что означает, что оно не может полимеризоваться и не интегрировано в сеть силиконового полимера¹¹. Вместо этого он остается в виде жидкой фазы в полимерной матрице, ослабляя структуру полимера на более высоких уровнях и потенциально заставляя его растворяться из отвержденного материала и прилипать к поверхности. В результате возможны другие негативные свойства, такие как нарушения отверждения, неравномерная вулканизация, химическая усадка и хрупкость. Модели голосовых складок с высоким содержанием силиконового масла были исследованы с точки зрения старения и воспроизводимости, и было обнаружено, что существует высокая вариабельность свойств различных моделей и изменение их свойств с течением времени¹¹.

При изготовлении моделей голосовых складок традиционным способом ^7,12 липкость эпителиального слоя может быть проблемой, так как это может повлиять на однородность вибрации и привести к разрыву эпителия. Хотя силикон, используемый для изготовления эпителия, является неразбавленным, можно предположить, что масло, которое вытекает из соседнего слоя слизистой оболочки, оказывает такое же воздействие на силикон, как если бы оно было разбавлено. Проблема липкости решалась путем добавления различных порошков, таких как тальк или угольный порошок, в качестве промежуточного слоя между слизистой оболочкой и эпителиальным слоем¹². Этот подход, возможно, был успешным, потому что масло частично поглощалось порошком, и, как следствие, липкость эпителиальной поверхности могла быть уменьшена.

В данной публикации мы показываем, что проблему липкости можно обойти, немного модифицировав процесс изготовления голосовых связок. Изменяя порядок наслоения и начиная с неразбавленного эпителиального силикона (так называемого закрытого силикона), можно получить нелипкие сверхмягкие модели голосовых складок. Это изменение включает в себя необычные типы форм и методов, которые лучше всего представить и объяснить в виде видео. В этой статье мы подробно опишем наш производственный процесс и продемонстрируем, как свойства моделей голосовых складок могут быть охарактеризованы в приложении.