Herstellungsprozess für nicht klebende superweiche Stimmlippenmodelle

Stimmlippenmodelle werden verwendet, um die menschliche Stimmproduktion unter normalen und pathologischen Bedingungen zu simulieren und zu untersuchen ^1,2. Eine der größten Herausforderungen bei der Erstellung von Stimmlippenmodellen besteht darin, eine realistische Weichheit und Flexibilität zu erreichen, die der des Menschen sehr nahe kommt. Um diese Eigenschaften zu erreichen, werden häufig Silikonelastomere verwendet, die mit hohen Mengen an Silikonöl verdünnt werden, um die entsprechenden Elastizitätsmodule ^3,4 zu erreichen. Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Erstellung realistischer Stimmlippenmodelle ist die Schichtung, da Stimmlippen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Weichheit bestehen, die das Muster der strömungsinduzierten Schwingungen und die Frequenz, bei der Schwingungen möglich sind, bestimmen.

In dieser Studie haben wir ein typisches Stimmlippenmodell erstellt. Wir haben die gemeinsame Geometrie von Scherer⁵ verwendet, die typische Abmessungen für männliche Stimmlippen mit 17 mm Länge nach Zhang⁶ darstellt und aus drei Schichten besteht: eine Schicht für den Stimmmuskel (Körperschicht), eine für die gesamte Schleimhautschicht (Deckschicht) und eine für das Epithel. Diese Struktur ist in der koronalen Querschnittsansicht in Abbildung 1 zu sehen.

Abbildung 1: Koronaler Querschnitt der Kehlkopfmodule. Koronaler Querschnitt der Kehlkopfmodule, der die breiteste Breite der Stimmlippen (8,5 mm) darstellt. Jede Stimmlippe besteht aus einer Körperschicht, einer Deckschicht und einer Epithelschicht. Diese Zahl wurde von¹³ geändert. Reproduziert von Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Einfluss von gewellten Luftröhrenwänden auf den Schwingungsdruck von Silikonstimmlippen. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) mit Genehmigung der Acoustical Society of America. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Andere Publikationen verwenden teilweise nur eine Schicht⁷, zwei Schichten ohne Epithel Schicht² oder modellieren die Schleimhaut mit mehreren Schichten³. In der Regel werden die Schichten von innen nach außen gegossen, d.h. beginnend mit der tiefsten Schicht. Das mit 30 μm Dicke sehr dünne Epithel wird am Ende über den gesamten Körper gegossen, um ihn mit einer stabilen Haut zu umhüllen⁸.

Die Deckschicht im Modell ist mit einem Elastizitätsmodul von etwa 1,1 kPa⁹ der weichste Teil. Für die Körperschicht beträgt der ungefähre Elastizitätsmodul in Querrichtung unter Verwendung von In-vitro-Messungen ¹⁰ 2 kPa. In vivo kann der Elastizitätsmodul des Thyreoarytenoidmuskels aufgrund des Vorhandenseins von Fasern in Längsrichtung sowie der möglichen Anspannung des Muskels höher sein. Um diesen extrem niedrigen Elastizitätsmodul zu erreichen, ist es notwendig, der Silikonmischung eine hohe Menge an Silikonöl zuzusetzen (ca. 72%). Der Hersteller rät jedoch dringend davon ab, einen Ölanteil von mehr als 5% zu verwenden. Im Allgemeinen soll die Zugabe von Silikonöl zum Elastomer die Fließ- und Tropfzeit erhöhen sowie die Schrumpfung des ausgehärteten Silikonpolymers verringern. Es hilft dem Silikon, gleichmäßiger auszuhärten, wodurch die Spannung im Material reduziert wird. Sein Zweck ist es, die Formbarkeit und die Eigenschaften des ausgehärteten Materials zu optimieren, anstatt seine Weichheit zu erhöhen, obwohl dies auch eine Konsequenz ist. Dies liegt daran, dass Silikonöl chemisch inert ist, was bedeutet, dass es sich nicht selbst polymerisieren kann und nicht in das Netzwerk des Silikonpolymers¹¹ integriert ist. Stattdessen verbleibt es als flüssige Phase in der Polymermatrix, schwächt die Polymerstruktur auf höheren Ebenen und führt möglicherweise dazu, dass sie sich aus dem ausgehärteten Material löst und an der Oberfläche haftet. Dadurch sind weitere negative Eigenschaften wie Heilungsstörungen, ungleichmäßige Vulkanisation, chemische Schrumpfung und Sprödigkeit möglich. Stimmlippenmodelle mit hohen Silikonölgehalten wurden hinsichtlich Alterung und Reproduzierbarkeit untersucht, und es wurde festgestellt, dass es eine hohe Variabilität in den Eigenschaften verschiedener Modelle und eine Veränderung ihrer Eigenschaften im Laufe der Zeit gibt¹¹.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Stimmlippenmodellen ^7,12 kann die Klebrigkeit der Epithelschicht ein Problem darstellen, da sie die Homogenität der Schwingung beeinträchtigen und zum Bruch des Epithels führen kann. Obwohl das zur Herstellung des Epithels verwendete Silikon unverdünnt ist, kann davon ausgegangen werden, dass das Öl, das aus der benachbarten Schleimhautschicht austritt, ähnliche Auswirkungen auf das Silikon hat, als wäre es verdünnt worden. Das Problem der Klebrigkeit wurde durch Zugabe verschiedener Puder wie Talkum oder Kohlepuder als Zwischenschicht zwischen Schleimhaut und Epithelschicht¹² angegangen. Dieser Ansatz war möglicherweise erfolgreich, da das Öl teilweise vom Pulver absorbiert wurde und dadurch die Klebrigkeit der Epitheloberfläche verringert werden konnte.

In dieser Publikation zeigen wir, dass das Problem der Klebrigkeit durch eine leichte Modifikation des Prozesses der Stimmlippenherstellung umgangen werden kann. Durch Ändern der Reihenfolge der Schichtung und Ausgehen mit dem unverdünnten Epithelsilikon (sogenanntes geschlossenes Silikon) können nicht klebrige, superweiche Stimmlippenmodelle hergestellt werden. Diese Änderung beinhaltet ungewöhnliche Arten von Formen und Methoden, die am besten in Form eines Videos vorgestellt und erklärt werden. In diesem Artikel beschreiben wir unseren Herstellungsprozess im Detail und zeigen, wie die Eigenschaften der Stimmlippenmodelle in einer Anwendung charakterisiert werden können.