Procédé de fabrication de modèles de cordes vocales super douces non adhésives

Les modèles de cordes vocales sont utilisés pour simuler et étudier la production de la voix humaine dans des conditions normales et pathologiques ^1,2. L’un des plus grands défis dans la création de modèles de cordes vocales est d’obtenir une douceur et une flexibilité réalistes qui se rapprochent de celles des humains. Pour obtenir ces propriétés, on utilise souvent des élastomères de silicone, qui sont dilués avec de grandes quantités d’huile de silicone pour obtenir les modules d’élasticité correspondants ^3,4. Un autre facteur crucial dans la création de modèles réalistes de cordes vocales est la superposition, car les cordes vocales sont constituées de plusieurs couches de douceur variable, qui déterminent le modèle de vibration induite par le flux et la fréquence à laquelle la vibration est possible.

Dans cette étude, nous avons créé un modèle typique des cordes vocales. Nous avons utilisé la géométrie commune fournie par Scherer⁵, qui représente les dimensions typiques des cordes vocales masculines de 17 mm de long selon Zhang⁶ et se compose de trois couches : une couche pour le muscle vocalis (couche du corps), une pour toute la couche muqueuse (couche de couverture) et une pour l’épithélium. Cette structure peut être vue dans la vue en coupe coronale de la figure 1.

Figure 1 : Coupe coronale des modules du larynx. Coupe coronale des modules du larynx illustrant la plus grande largeur des cordes vocales (8,5 mm). Chaque corde vocale comprend une couche corporelle, une couche de couverture et une couche d’épithélium. Cette figure a été modifiée de¹³. Reproduction de Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effet des parois ondulées de la trachée sur la pression d’amorçage de l’oscillation des cordes vocales en silicone. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) avec la permission de l’Acoustical Society of America. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

D’autres publications n’utilisent partiellement qu’une seule couche⁷, deux couches sans couche d’épithélium² ou modélisent la muqueuse avec plusieurs couches³. Habituellement, les couches sont coulées de l’intérieur vers l’extérieur, c’est-à-dire en commençant par la couche la plus profonde. L’épithélium, très fin avec 30 μm d’épaisseur, est coulé à l’extrémité sur tout le corps pour l’envelopper d’une peau solide⁸.

La couche de couverture du modèle est la partie la plus molle, avec un module de Young d’environ 1,1 kPa⁹. Pour la couche corporelle, le module de Young approximatif dans le sens transversal en utilisant les mesures in vitro ¹⁰ est de 2 kPa. In vivo, le module de Young du muscle thyroaryténoïdien peut être plus élevé en raison de la présence de fibres dans le sens longitudinal ainsi que de la tension possible du muscle. Pour obtenir ce module de Young extrêmement bas, il est nécessaire d’ajouter une grande quantité d’huile de silicone au mélange de silicone (environ 72%). Cependant, le fabricant déconseille fortement d’utiliser une proportion d’huile supérieure à 5 %. En général, l’ajout d’huile de silicone à l’élastomère vise à augmenter le débit et le temps d’égouttement, ainsi qu’à réduire le rétrécissement du polymère de silicone durci. Il aide le silicone à durcir plus uniformément, réduisant ainsi les contraintes dans le matériau. Son but est d’optimiser la moulabilité et les propriétés du matériau durci, plutôt que d’augmenter sa douceur, bien que ce soit également une conséquence. En effet, l’huile de silicone est chimiquement inerte, ce qui signifie qu’elle ne peut pas se polymériser et n’est pas intégrée dans le réseau du polymère de silicone¹¹. Au lieu de cela, il reste sous forme de phase liquide dans la matrice polymère, affaiblissant la structure du polymère à des niveaux plus élevés et le faisant potentiellement dissoudre hors du matériau durci et adhérer à la surface. En conséquence, d’autres propriétés négatives telles que les troubles de la guérison, la vulcanisation inégale, le rétrécissement chimique et la fragilité sont possibles. Des modèles de cordes vocales à forte teneur en huile de silicone ont été étudiés en ce qui concerne le vieillissement et la reproductibilité, et il a été constaté qu’il existe une grande variabilité des propriétés des différents modèles et une modification de leurs propriétés au fil du temps¹¹.

Lors de la production de modèles de cordes vocales de manière conventionnelle ^7,12, l’adhérence de la couche épithéliale peut être un problème car elle peut affecter l’homogénéité des vibrations et entraîner une rupture de l’épithélium. Bien que le silicone utilisé pour fabriquer l’épithélium ne soit pas dilué, on peut supposer que l’huile qui s’échappe de la couche de muqueuse voisine a des effets similaires sur le silicone que s’il avait été dilué. Le problème de l’adhérence a été résolu en ajoutant diverses poudres telles que du talc ou de la poudre de carbone comme couche intermédiaire entre la muqueuse et la couche épithéliale¹². Cette approche a peut-être été couronnée de succès parce que l’huile a été partiellement absorbée par la poudre et, par conséquent, l’adhérence de la surface épithéliale a pu être réduite.

Dans cette publication, nous montrons que le problème de l’adhérence peut être contourné par une légère modification du processus de fabrication des cordes vocales. En changeant l’ordre de superposition et en commençant par le silicone épithélial non dilué (appelé silicone fermé), il est possible de produire des modèles de cordes vocales super douces et non collantes. Ce changement implique des types de moules et de méthodes inhabituels qui sont mieux présentés et expliqués sous la forme d’une vidéo. Dans cet article, nous décrivons en détail notre processus de fabrication et démontrons comment les propriétés des modèles de cordes vocales peuvent être caractérisées dans une application.