Proceso de fabricación para modelos de cuerdas vocales supersuaves no adhesivas

Los modelos de cuerdas vocales se utilizan para simular e investigar la producción de la voz humana en condiciones normales y patológicas ^1,2. Uno de los mayores desafíos en la creación de modelos de cuerdas vocales es lograr una suavidad y flexibilidad realistas que se aproximen mucho a las de los humanos. Para lograr estas propiedades, a menudo se utilizan elastómeros de silicona, que se diluyen con altas cantidades de aceite de silicona para lograr los módulos de elasticidad correspondientes ^3,4. Otro factor crucial en la creación de modelos realistas de cuerdas vocales es la estratificación, ya que las cuerdas vocales constan de múltiples capas de suavidad variable, que determinan el patrón de vibración inducida por el flujo y la frecuencia a la que es posible la vibración.

En este estudio, creamos un modelo típico de cuerdas vocales. Utilizamos la geometría común proporcionada por Scherer⁵, que representa las dimensiones típicas de las cuerdas vocales masculinas con una longitud de 17 mm según Zhang⁶ y consta de tres capas: una capa para el músculo vocal (capa del cuerpo), una para toda la capa mucosa (capa de cobertura) y otra para el epitelio. Esta estructura se puede ver en la vista de la sección transversal coronal en la Figura 1.

Figura 1: Corte coronal de los módulos laríngeos. Sección coronal de los módulos de la laringe que ilustra la anchura más ancha de las cuerdas vocales (8,5 mm). Cada pliegue vocal comprende una capa corporal, una capa de cobertura y una capa de epitelio. Esta cifra se ha modificado de¹³. Reproducido de Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Efecto de las paredes onduladas de la tráquea en la presión de inicio de la oscilación de las cuerdas vocales de silicona. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) con el permiso de la Acoustical Society of America. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Otras publicaciones utilizan parcialmente solo una capa⁷, dos capas sin epitelio capa² o modelan la mucosa con múltiples capas³. Por lo general, las capas se funden de adentro hacia afuera, es decir, comenzando por la capa más profunda. El epitelio, que es muy delgado con un grosor de 30 μm, se proyecta en el extremo sobre todo el cuerpo para envolverlo con una piel resistente⁸.

La capa de cobertura del modelo es la parte más blanda, con un módulo de Young de aproximadamente 1,1 kPa⁹. Para la capa corporal, el módulo aproximado de Young en la dirección transversal utilizando mediciones in vitro ¹⁰ es de 2 kPa. In vivo, el módulo de Young del músculo tiroaritenoide puede ser mayor debido a la presencia de fibras en la dirección longitudinal, así como a la posible tensión del músculo. Para lograr este módulo de Young extremadamente bajo, es necesario agregar una gran cantidad de aceite de silicona a la mezcla de silicona (aproximadamente el 72%). Sin embargo, el fabricante desaconseja encarecidamente el uso de una proporción de aceite superior al 5%. En general, la adición de aceite de silicona al elastómero está destinada a aumentar el flujo y el tiempo de goteo, así como a reducir la contracción del polímero de silicona curado. Ayuda a que la silicona se cure de manera más uniforme, reduciendo así la tensión en el material. Su propósito es optimizar la moldeabilidad y las propiedades del material curado, en lugar de aumentar su suavidad, aunque esto también es una consecuencia. Esto se debe a que el aceite de silicona es químicamente inerte, lo que significa que no puede polimerizarse a sí mismo y no está integrado en la red del polímero de silicona¹¹. En cambio, permanece como una fase líquida en la matriz polimérica, debilitando la estructura del polímero a niveles más altos y potencialmente haciendo que se disuelva fuera del material curado y se adhiera a la superficie. Como resultado, son posibles otras propiedades negativas, como trastornos de curación, vulcanización desigual, contracción química y fragilidad. Se investigaron modelos de cuerdas vocales con alto contenido de aceite de silicona en relación al envejecimiento y la reproducibilidad, y se encontró que existe una alta variabilidad en las propiedades de los diferentes modelos y un cambio en sus propiedades a lo largo del tiempo¹¹.

Cuando se producen modelos de cuerdas vocales de forma convencional ^7,12, la pegajosidad de la capa epitelial puede ser un problema, ya que puede afectar a la homogeneidad de la vibración y provocar la ruptura del epitelio. Aunque la silicona utilizada para fabricar el epitelio no está diluida, se puede suponer que el aceite que se filtra de la capa mucosa vecina tiene efectos similares en la silicona como si se hubiera diluido. El problema de la pegajosidad se abordó mediante la adición de diversos polvos como talco o polvo de carbón como capa intermedia entre la mucosa y la capa epitelial¹². Este enfoque puede haber tenido éxito porque el aceite fue parcialmente absorbido por el polvo y, como resultado, se pudo reducir la pegajosidad de la superficie epitelial.

En esta publicación, mostramos que el problema de la pegajosidad puede evitarse mediante una ligera modificación del proceso de fabricación de las cuerdas vocales. Al cambiar el orden de las capas y comenzar con la silicona epitelial sin diluir (la llamada silicona cerrada), se pueden producir modelos de cuerdas vocales súper suaves y no pegajosas. Este cambio implica tipos inusuales de moldes y métodos que se presentan y explican mejor en forma de video. En este artículo, describimos nuestro proceso de fabricación en detalle y demostramos cómo se pueden caracterizar las propiedades de los modelos de cuerdas vocales en una aplicación.