Herstellungsprozess für nicht klebende superweiche Stimmlippenmodelle

Zusammenfassung

Diese Studie demonstriert die Herstellung von nicht klebrigen und superweichen Stimmlippenmodellen, indem sie eine spezifische Methode zur Herstellung der Stimmlippenschichten vorstellt, eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsverfahrens liefert und die Eigenschaften der Modelle charakterisiert.

Zusammenfassung

Diese Studie zielt darauf ab, superweiche, nicht klebrige Stimmlippenmodelle für die Stimmforschung zu entwickeln. Der herkömmliche Herstellungsprozess von silikonbasierten Stimmlippenmodellen führt zu Modellen mit unerwünschten Eigenschaften, wie z. B. Klebrigkeit und Reproduzierbarkeitsproblemen. Diese Stimmlippenmodelle neigen zu einer schnellen Alterung, was zu einer schlechten Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Messungen führt. In dieser Studie schlagen wir eine Modifikation des Herstellungsprozesses vor, indem wir die Reihenfolge der Schichtung des Silikonmaterials ändern, was zur Herstellung von nicht klebrigen und hochkonsistenten Stimmlippenmodellen führt. Wir vergleichen auch ein mit dieser Methode hergestelltes Modell mit einem konventionell hergestellten Stimmlippenmodell, das durch seine klebrige Oberfläche beeinträchtigt wird. Wir beschreiben den Herstellungsprozess und charakterisieren die Eigenschaften der Modelle für mögliche Anwendungen. Die Ergebnisse der Studie zeigen die Wirksamkeit der modifizierten Herstellungsmethode und unterstreichen die überlegenen Qualitäten unserer nicht klebrigen Stimmlippenmodelle. Die Erkenntnisse tragen zur Entwicklung realistischer und zuverlässiger Stimmlippenmodelle für Forschung und klinische Anwendungen bei.

Einleitung

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.

Protokoll

1. Design der Stimmlippenmodelle und 3D-Druck der Teile

1. Erstellen Sie eine mehrschichtige Darstellung der gängigen M5-Geometrie von Silikonstimmlippen mit verschiedenen weichen Silikonmaterialien. Konstruieren Sie die Einzelteile mit einer CAD-Software (Computer Aided Design). Weitere Informationen finden Sie in der ergänzenden Codierungsdatei 1, der ergänzenden Codierungsdatei 2, der ergänzenden Codierungsdatei 3, der ergänzenden Codierungsdatei 4, der ergänzenden Codierungsdatei 5, der ergänzenden Codierungsdatei 6, der ergänzenden Codierungsdatei 7 und der ergänzenden Codierungsdatei 8 . Die Dateien werden nach ihrer Funktion im Modell benannt und dienen als Grundlage für die nachfolgenden Schritte.
2. Kompilieren und organisieren Sie die erforderlichen Dateien für jeden Schritt in Schritt 2. Siehe die Liste der benötigten Teile und deren Mengen in der ergänzenden Abbildung 1. Siehe eine schematische Darstellung der Formmontage in der ergänzenden Abbildung 2.
3. Laden Sie die STL-Dateien in ein 3D-Druckprogramm, um G-Code-Dateien zu generieren, die vom 3D-Drucker gelesen werden können.
4. Bereiten Sie die Materialien (siehe Materialtabelle) für den 3D-Druck vor.
   1. Verwenden Sie für die ergänzende Codierungsdatei 2 und die ergänzende Codierungsdatei 5 ein Material, das weniger sichtbare Schichtlinien verursacht, z. B. Polymilchsäure (PLA+) oder PC.
   2. Verwenden Sie für die ergänzende Codierungsdatei 1 ein härteres Material wie zähes PLA oder Polyethylenterephthalatglykol (PETG), da es anfällig für Biegespannungen ist. Für die übrigen Teile gelten keine weiteren Einschränkungen bei der Wahl des Druckmaterials.
5. Passen Sie die Einstellungen der 3D-Drucksoftware für den entsprechend ausgewählten 3D-Drucker an.
   1. Stellen Sie für die Ergänzungscodierungsdatei 2 und die Ergänzungscodierungsdatei 5 eine maximale Schichthöhe von 0,1 mm ein.
   2. Stellen Sie für die ergänzende Codierungsdatei 1 den Füllwert auf 100 % und das Druckmuster auf ZigZag ein, um eine bessere Stabilität zu erreichen. Stellen Sie außerdem die Haftungskategorie der Bauplatte auf Schürze statt auf Krempe ein, da die Geometrie der Teile das Entfernen der Krempe erheblich erschweren würde.
   3. Verwenden Sie für die anderen Teile die Standardeinstellungen und Schichthöhen von 0,2 mm.
6. Drucken Sie die genannten Teile auf dem 3D-Drucker. Reinigen Sie die Teile und entfernen Sie überschüssiges Material wie Krempe oder Druckfehler. Glätten Sie die inneren Kontaktflächen mit Schleifpapier (gleich oder feiner als P1000 empfohlen).

2. Herstellung der Stimmlippenmodelle

1. Sammeln Sie die folgenden Teile und Materialien für die Herstellung der Körperschicht: Stimmlippen-positiv (2x), vocalis_mold-Kappe, vocalis_mold-Hauptteil, vocalis_mold-Rumpf, Primärsilikon, Trennmittel und Verdünner (siehe Materialtabelle für Details).
   1. Tragen Sie etwas Trennmittel auf die Innenflächen aller Formteile auf.
   2. Montieren Sie das Hauptteil und die Kappe der Form über dem Positiv und legen Sie das Formpaket in den dafür vorgesehenen Topf. Korrigieren Sie ggf. die Ausrichtung der beiden Formteile. Stellen Sie sicher, dass das Loch im Positiv zum Gießen der Silikonflächen nach oben zeigt und die Form einen stabilen Stand auf einer ebenen Fläche hat.
   3. Stellen Sie eine Mischung aus dem Primärsilikon mit drei Teilen Verdünner (1:1:3) her, kombinieren Sie zunächst Komponente A mit dem Verdünner und fügen Sie anschließend Komponente B hinzu. Mischen Sie die Komponenten gründlich. Eine Gesamtmenge von 6 g Silikonmischung reicht aus, um die Körperschicht aus zwei Stimmlippenhälften zu gießen.
   4. Vakuumieren Sie die Silikonmischung in einer Vakuumkammer bei mindestens -1 bar Unterdruck, um die Bildung von Luftblasen im ausgehärteten Silikonkörper zu verhindern.
   5. Gießen Sie die vakuumierte Silikonmischung vorsichtig in den Formhohlraum, bis sie gefüllt erscheint. Füllen Sie die umgebenden Bereiche des Formtopfes, um zu verhindern, dass die sehr dünne Silikonmischung durch die Formverbindungen sinkt. Überprüfen Sie den Silikonstand während der Tropfzeit und fügen Sie bei Bedarf mehr hinzu. Die Tropfzeit für diese Mischung beträgt zwischen 1-2 h.
   6. Nach einer Aushärtezeit von ca. 1 Tag, mindestens jedoch 8 h, entfernen Sie den Schimmel inklusive des Positivs aus dem Topf. Entfernen Sie das Silikon zwischen Form und Topf, bevor Sie die Form öffnen.
   7. Entfernen Sie beim Öffnen der Form zuerst vorsichtig den Deckel, beginnend von der Rückseite des Pluss. Entfernen Sie dann den Hauptkörper der Form. Entfernen Sie überschüssiges Silikon vorsichtig mit einem Skalpell oder einem Seitenschneider.
2. Bereiten Sie die musosa_mold-Rücken-, musosa_mold-Hauptteil- und musosa_mold-Rumpf-Teile sowie das Sekundärsilikon und Trennmittel für die Herstellung der Epithelschicht vor. (Siehe Materialtabelle).
   HINWEIS: Die Schritte 2.1 und 2.2 (Körper und Epithelschicht) können gleichzeitig ausgeführt werden.
   1. Montieren Sie die beiden Formteile und setzen Sie sie in den Rumpf. Bereiten Sie das Innere der Form mit etwas Trennmittel vor und achten Sie darauf, dass die Innenwände gemäß den Gebrauchsanweisungen des jeweiligen Trennmittels beschichtet sind. Lassen Sie das Bauteil kurz an der Luft trocknen, bevor Sie fortfahren.
   2. Mischen Sie eine Charge des Sekundärsilikons ohne Verdünner (1:1:0). Wenn beim Mischen Luftblasen in das Silikongemisch eingebracht wurden, entgasen Sie das Gemisch wie in Schritt 2.1.4.
      HINWEIS: Beachten Sie die kurze Tropfzeit dieser Mischung, die etwa 15 Minuten beträgt.
   3. Gießen Sie etwas von der Mischung in die Form und schwenken Sie sie herum (lassen Sie die Form im Rumpf), bis alle Innenflächen mit Silikon beschichtet sind.
   4. Drehen Sie die Form um und lassen Sie überschüssiges Silikon ablaufen. Befestigen Sie die Form in dieser Position über einem Netz, Gitter oder in einem Winkel, der eine weitere Silikondrainage ermöglicht.
   5. Verhindern Sie die Bildung von Überhängen im Silikon während des Aushärtungsprozesses, indem Sie es regelmäßig glätten, insbesondere in dem Bereich, in dem sich der Luftkanal befindet.
      HINWEIS: Diese können auch später vorsichtig mit einer Zange entfernt werden.
3. Bereiten Sie sich auf die Herstellung der Schleimhautzwischenschicht vor, indem Sie das Positiv mit der Vocalis-Silikonschicht aus Schritt 2.1, die mit der Epithelschicht aus Schritt 2.2 hergestellte Form und das Silikon und den Verdünner vorbereiten, wie in der Materialtabelle aufgeführt.
   1. Stellen Sie eine Mischung aus dem Primärsilikon mit fünf Teilen Verdünner (1:1:5) her, kombinieren Sie zunächst Komponente A mit dem Verdünner und fügen Sie anschließend Komponente B hinzu. Mischen Sie die Komponenten gründlich. Eine Gesamtmenge von 4 g Silikonmischung ist ausreichend.
   2. Die Silikonmischung wird in einer Vakuumkammer wie in Schritt 2.1.4 abgesaugt.
   3. Füllen Sie einen Teil der Silikonmischung mit dem vorbereiteten Epithelsilikon in die Schleimhautform. Kippen Sie die Form, bis alle Innenflächen des Epithelsilikons mit einer dünnen Ölschicht bedeckt sind, um das Einsetzen des Positivs zu erleichtern.
      HINWEIS: Optional: Aufgrund des hohen Verdünnungsanteils hat die Mischung eine lange Tropfzeit von mehreren Stunden, in der die Mischung durch Verdunstung schrumpfen kann. Warten Sie daher etwa 2-3 Stunden, bevor Sie mit den nächsten Schritten fortfahren.
   4. Führen Sie das Positiv mit dem Stimmkörper vorsichtig in die Form ein. Sichern Sie das Plus in der Form, zum Beispiel mit einer Klemme, wenn das Plus auf dem Silikon aufschwimmt. Je nachdem, wie viel Silikon zuvor zugegeben wurde, kann es an den Füllstellen austreten.
   5. Füllen Sie die Form auf die gleiche Weise wie beim Gießen der Vocalis-Schicht und füllen Sie entsprechend nach, wenn das Material einsinkt.
   6. Warten Sie nach Ablauf der Tropfzeit 24 Stunden, bis das Silikon vollständig ausgehärtet ist.
   7. Nach 24 h den Körper aus der Form nehmen. Entfernen Sie zuerst die Form von der Schale. Öffnen Sie dann, beginnend mit dem hinteren Teil, die Form und entfernen Sie auch den Hauptteil der Form.
   8. Entfernen Sie vorsichtig überschüssiges Silikon, waschen Sie die Oberfläche und lassen Sie den Körper trocknen.
4. Montieren Sie die beiden Stimmlippenhälften an den dafür vorgesehenen Stellen am Mess- und Montagemodul in der Supplementary Coding File 8. Der Anschluss wurde für zwei M3-Schrauben und M3-Vierkantmuttern (DIN 562) ausgelegt, diese sind jedoch nicht zwingend erforderlich.

Ergebnisse

Das hergestellte Stimmlippenmodell wurde in den in der ergänzenden Abbildung 3 dargestellten Messaufbau an der Stimmlippenposition integriert. Der Aufbau, der in einer früheren Veröffentlichung¹³ ausführlich beschrieben wurde, umfasst eine mehrstufig steuerbare Luftstromquelle, die die Stimmlippenmodelle zur Schwingung anregt, sowie eine Reihe von Messgeräten, die Daten wie Schalldruck, statischen Druck an bestimmten Positionen und Volumengeschwindigkeit aufzeichnen. Für die...

Diskussion

Der hier vorgestellte Herstellungsprozess umfasst kritische Schritte, die seinen Erfolg erheblich beeinflussen. Zunächst ist anzumerken, dass das vorgestellte Herstellungsverfahren das Problem der Ölsättigung im Stimmlippenkorpusmaterial nicht löst, sondern bestimmte negative Nebenwirkungen umgeht. Die Ausgasung und die damit verbundene Schrumpfung und Oberflächenwelligkeit bleiben bestehen, wenn auch in geringerem Maße. Eine Lösung für diese Probleme wäre die Verwendung eines ultraweichen Silikons oder eines al...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printer	ULTIMAKER		Type S5
3D Printing software	ULTIMAKER CURA		Version 5.2.2
CAD Software	Autodesk Inventor		Version 2023
High Speed Camera	XIMEA GmbH		MQ013CG-ON
PLA+ 3D Printer Material	eSun	none	white
Primary silicone	KauPo Plankenhorn	09301-005-000041	EcoFlex 00-30
Release Agent	KauPo Plankenhorn	09291-006-000001	UTS Universal
Secondary silicone	KauPo Plankenhorn	09301-005-000181	DragonSkin NV10
Silicone Thinner	KauPo Plankenhorn	09301-010-000002
Tougth PLA 3D Printer Material	BASF		black