Diese Arbeit wird von der National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 und GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

In dieser Arbeit wird auf dem Prüfabschnittsboden eines Saugwindkanals mit einem Kontraktionsverhältnis von 5:1 ein an der Wand montiertes Halbkugelideroid, d.h. ein Modell-Stimmfaltenpolyp, positioniert. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und ihre Wirkung auf die Wanddruckbelastung werden mittels Ölflussvisualisierung, Wanddruckmessungen und Partikelbild-Velocimetrie untersucht. Die unbeständigen Druckmessungen werden mit einem 16-Kanal-Scandruckwandler mit piezoresistiven Drucksensoren erfasst. Die Drucksensoren haben einen Frequenzgang von 670 Hz. Statische Druckhähne aus Edelstahlrohren werden bündig vor und nach dem Modell Stimmfaltenpolypen montiert, um die Oberflächendruckmessungen zu erleichtern und kurz auf das Scandruckgerät zu plump. Ölflussvisualisierung und Oberflächendruckmessungen können nicht gleichzeitig erfasst werden, da Öl in die Druckhähne fließen würde, was zu Verschmutzungen führen würde.
Der folgende Abschnitt enthält das Protokoll zum Einrichten und Erfassen von Ölfilm-Visualisierungen und Oberflächendruckmessungen um ein an der Wand montiertes Prolate-Halbhautoid. Obwohl phasengemittelte und zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetriemessungen erfasst werden, ist die PIV-Erfassung in diesem Protokoll nicht enthalten. Die Autoren schlagen die Referenzen von Raffel et al. vor. 36 und Adrian und Westerweel39 für ein tiefes Verständnis von PIV-Experimentalaufbau, Datenerfassung und Datenverarbeitung.
1. Protuberance generieren(d.h. Modell Polyp)
<ol><li>Erstellen Sie ein dreidimensionales CAD-Modell (Computer-Aided Design) mit der gewünschten Geometrie. Generieren Sie das Modell Vokalfaltenpolyp als prolates Halbkugeloid von 5,08 cm Länge, 2,54 cm Breite und 1,27 cm Höhe. Montieren Sie eine 2,54 cm quadratische Basis, die 0,64 cm dick ist, an der Unterseite des Modells Stimmfalten Polyp. Diese Basis wird verwendet, um das Modell auf dem Prüfabschnittsboden zu verankern.</li>
	<li>Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithographiedatei (STL). Das STL-Dateiformat generiert die Modelloberfläche als eine Reihe von Dreiecken. Wählen Sie eine angemessene Auflösung, um eine glatte Oberfläche auf dem Modellpolypen zu gewährleisten. Es wird eine Auflösung von mindestens 600 Punkten/In empfohlen.</li>
	<li>Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie die STL-Datei mit einem hochauflösenden dreidimensionalen Drucker oder Rapid Prototyper mit einer Build-Layer-Auflösung von mindestens 20 m.</li>
	<li>Der Windkanal-Testteil ist ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm mit abnehmbarer Bodenplatte, wie in Abbildung 1dargestellt. Fräsen Sie ein 2,54 cm großes quadratisches Loch ca. 0,85 cm tief in den Windkanal-Testabschnitt Boden abnehmbare Platte, um das Modell Vokalfaltenpolyp für die Prüfung zu montieren. Die Bohrung sollte sich in der Mitte der Testabschnittsbreite befinden und zur Prüfung an der gewünschten nachgelagerten Stelle befinden.</li>
</ol>2. Öl-Flow-Visualisierungsvorbereitung
<ol><li>Um den Prüfabschnitt vorzubereiten, bedecken Sie die Prüfabschnittsoberfläche im Inneren des Windkanals mit weißem Klebepapier. Das Klebepapier vorsichtig auflegen und glätten, um sicherzustellen, dass der Prüfabschnittsboden keine Beulen aufgrund von Luftblasen oder Falten im Klebepapier hat. Schneiden Sie ein Loch im Klebepapier über dem quadratischen Loch im Testabschnittsboden für den Modell-Polyp-Anker, der an der Testabschnittswand befestigt werden soll.</li>
	<li>Setzen Sie die Protuberance (Modell-Gesangsfaltenpolyp) in die Ankerposition ein, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Siehe Abbildung 1.</li>
	<li>Montieren Sie eine hochauflösende Kamera über dem Windkanal-Testabschnitt. Fokussieren Sie die Kamera für das gewählte Sichtfeld einschließlich des Modellpolypes und des umgebenden Testabschnittsbereichs. Legen Sie die Kameraerfassungsparameter für Tests fest. Eine Videoeinstellung sollte verwendet werden, um den transienten Teil der Ölflussvisualisierung zu erfassen oder wenn unbeständige oder pulsatile Ströme von Interesse sind.</li>
	<li>Bereiten Sie das Flow-Visualisierungsöl-Gemisch vor, indem Sie Babyöl, Kopiertonerpulver und Kerosin im Verhältnis 7:1:2 nach Volumen kombinieren. Zum Beispiel: 35 ml Babyöl, 5 ml Tonerpulver und 10 ml Kerosin kombinieren. Babyöl und Tonerpulver in einem Behälter vermischen und rühren, bis der Toner vollständig aufgelöst ist. Dann das Kerosin hinzufügen und gut mischen.</li>
	<li>Übertragen Sie das Gemisch in eine Sprühflasche, um sie einfach auf die Testabschnittsoberfläche zu tragen.</li>
</ol>3. Öl-Flow-Visualisierungsmessungen
<ol><li>Reinigen und trocknen Sie die Prüfabschnittsoberfläche vor jeder Anwendung des Ölgemisches.</li>
	<li>Verwenden Sie die mit dem Ölgemisch gefüllte Sprühflasche, um eine dünne, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht über den Bereich des Interesses zu sprühen. Eine dünne, gleichmäßige Ölgemischschicht ist wichtig, um richtige Ölfilm-Visualisierungsbilder zu erzeugen.</li>
	<li>Initiieren Sie die Bild- oder Videoaufnahme auf der Kamera. Beginnen Sie die Kameraaufnahme, bevor der Windkanal eingeschaltet wird, um die anfängliche transiente Ölgemischbewegung zu erfassen.</li>
	<li>Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Das Ölgemisch beginnt entlang der Testabschnittsoberfläche zu fließen.</li>
	<li>Sobald das Ölgemisch nicht mehr fließt und einen stabilen Zustand erreicht hat(d.h. die Muster sind stationär), oder wenn die gewünschte Zeit verstrichen ist, stoppen Sie die Kameraaufnahme und schalten Sie den Windkanal herunter. Hinweis: Video 1 zeigt das Ölgemisch, das fließt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist und das Reibungsmuster der Haut stationär wird. Im Video bewegt sich der Fluss von links nach rechts.</li>
</ol>4. Oberflächendruckmessungsvorbereitung
<ol><li>Bereiten Sie die Bodenfläche des Prüfabschnitts (abnehmbare Platte) durch Bohren von Löchern zur Montage von Edelstahlrohren (0,16 cm Außendurchmesser und 2,54 cm Länge) in den Prüfabschnittsboden vor, um statische Druckhähne zu bauen. Beginnend an der Mittellinie der Ankerposition des prolaten Halbkugeloids, bohren Sie die Löcher auf einem Raster, das 8,89 cm in spanweiser Richtung und 22,86 cm flussabwärts mit 1,27 cm spanweisem Rasterabstand und 2,54 cm nachgeschaltetem Rasterabstand (siehe Abbildung 1) umfasst. Die Edelstahlrohre haben eine Wölbung an einem Ende zum Anbringen flexibler Schläuche und sind gerade am anderen Ende für die Montage. Hinweis: Die statischen Druckhähne können in engeren Intervallen für ein feineres Raster von Druckerfassungsstellen positioniert werden.</li>
	<li>Montieren Sie die Tubulationen um die Ankerposition des wandmontierten Prolaten-Hemispheroids(d.h. Modell-Stimmfaltenpolyp) in der gewünschten Konfiguration auf dem Prüfabschnittsboden, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Die Tubulationen sollten bündig mit dem Prüfabschnittsboden montiert werden.</li>
	<li>Befestigen Sie Stücke von kurzen flexiblen Schläuchen (6,35 cm Länge, 0,159 cm Innendurchmesser, 0,475 cm Außendurchmesser klare Polyvinylchloridrohre) von den montierten Edelstahlrohren an die Messöffnungsports des Scandruckwandlers. Der Scandruckwandler hat sechzehn Druckanschlüsse.</li>
</ol>5. Oberflächendruckmessungserfassung
<ol><li>Schließen Sie den Scandruckwandler an einen Computer an und konfigurieren Sie die Erfassungsparameter mit der Scandruckwandler-Software. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass Daten für die gewünschte Dauer der Datenerfassung auf 500 Hz abgeführt werden. Hinweis: Aufgrund der geringen Druckschwankungen bei niedrigen Schwingungsfrequenzen wurden Daten mit der maximalen Abtastrate des Scandruckwandlers 500 Hz erfasst.</li>
	<li>Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein.</li>
	<li>Beginnen Sie mit der Druckmessungserfassung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Strömungsdiagnostik(z.B. PIV, Laser Doppler-Anemometrie, Heißdraht-Anamometrie, etc.)erfasst werden.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Hirano, M., Kakita, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Cover-body theory of vocal fold vibration. Speech science--recent advances. , 1-46 (1985).</li><li>Gray, S. D., Titze, I. R., Alipour, F., Hammond, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechanical+and+histologic+observations+of+vocal+fold+fibrous+proteins.">Biomechanical and histologic observations of vocal fold fibrous proteins.</a> Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 109 (1), 77-85 (2000).</li><li>Titze, I. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+of+small-amplitude+oscillation+of+the+vocal+fold.">The physics of small-amplitude oscillation of the vocal fold.</a> J. Acoustic. Soc. Am. 83 (4), 1536-1552 (1988).</li><li>Boessenecker, A., Berry, D. A., Lohscheller, J., Eysholdt, U., D&#246;llinger, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucosal+wave+properties+of+a+human+vocal+fold.">Mucosal wave properties of a human vocal fold.</a> Acta Acustica. 93 (5), 815-823 (2007).</li><li>Shaw, H. S., Deliyski, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucosal+wave:+a+normophonic+study+across+visualization+techniques.">Mucosal wave: a normophonic study across visualization techniques.</a> J. Voice. 22 (1), 23-33 (2008).</li><li>Krausert, C. R., Olszewski, A. E., Taylor, L. N., McMurray, J. S., Dailey, S. H., Jiang, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mucosal+wave+measurement+and+visualization+techniques.">Mucosal wave measurement and visualization techniques.</a> J. Voice. 25 (4), 395-405 (2010).</li><li>Fant, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+Theory+of+Speech+Production.">Acoustic Theory of Speech Production.</a> Mouton and Co. N. V.: The Hague. , 15-79 (1960).</li><li>Wegel, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theory+of+vibration+of+the+larynx.">Theory of vibration of the larynx.</a> J. Acoustic. Soc. Am. 1, 1-21 (1930).</li><li>Den Berg, J. V. a. n., Zantema, J. T., Doornenbal, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+air+resistance+and+the+Bernoulli+effect+of+the+human+larynx.">On the air resistance and the Bernoulli effect of the human larynx.</a> J. Acoustic. Soc. Am. 29 (5), 626-631 (1957).</li><li>Scherer, R. C., Shinwari, D., De Witt, K. J., Zhang, C., Kucinschi, B. R., Afjeh, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intraglottal+pressure+profiles+for+a+symmetric+and+oblique+glottis+with+a+divergence+angle+of+10+degrees.">Intraglottal pressure profiles for a symmetric and oblique glottis with a divergence angle of 10 degrees.</a> TJ. Acoustic. Soc. Am. 109 (4), 1616-1630 (2001).</li><li>Thomson, S. L., Mongeau, L., Frankel, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerodynamic+transfer+of+energy+to+the+vocal+folds.">Aerodynamic transfer of energy to the vocal folds.</a> TJ. Acoustic. Soc. Am. 118 (3), 1689-1700 (2005).</li><li>Erath, B. D., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+investigation+of+asymmetric+flow+features+in+a+scaled-up+driven+model+of+the+human+vocal+folds.">An investigation of asymmetric flow features in a scaled-up driven model of the human vocal folds.</a> Exp. Fluids. 49 (1), 131-146 (2010).</li><li>Petrovi&#263;-Lazi&#263;, M., Kosanovi&#263;, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acoustic+analysis+findings+in+patients+with+vocal+fold+polyp.">Acoustic analysis findings in patients with vocal fold polyp.</a> Acta Med. Saliniana. 38 (2), 63-66 (2009).</li><li>Erath, B. D., Plesniak, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+laryngeal+flow+fields+induced+by+a+model+vocal+fold+polyp.">Three-dimensional laryngeal flow fields induced by a model vocal fold polyp.</a> Int. J. Heat Fluid Flow. 35, 93-101 (2012).</li><li>Acarlar, M. S., Smith, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+hairpin+vortices+in+a+laminar+boundary+layer.+Part+1.+Hairpin+vortices+generated+by+a+hemisphere+protuberance.">A study of hairpin vortices in a laminar boundary layer. Part 1. Hairpin vortices generated by a hemisphere protuberance.</a> J. Fluid Mech. 175, 1-41 (1987).</li><li>Kawanisi, K., Maghrebi, M. F., Yokosi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+instantaneous+3-D+analysis+of+turbulent+flow+in+the+wake+of+a+hemisphere.">An instantaneous 3-D analysis of turbulent flow in the wake of a hemisphere.</a> Boundary-Layer Meteorol. 64, 1-14 (1992).</li><li>Savory, E., Toy, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hemisphere+and+hemisphere-cylinders+in+turbulent+boundary+layers.">Hemisphere and hemisphere-cylinders in turbulent boundary layers.</a> J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 23, 345-364 (1986).</li><li>Tamai, N., Asaeda, T., Tanaka, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vortex+structures+around+a+hemispheric+hump.">Vortex structures around a hemispheric hump.</a> Boundary-Layer Meteorol. 39, 301-314 (1987).</li><li>Savory, E., Toy, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+separated+shear+layers+associated+with+hemispherical+bodies+in+turbulent+boyndary+layers.">The separated shear layers associated with hemispherical bodies in turbulent boyndary layers.</a> J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 28, 291-300 (1988).</li><li>Ogawa, T., Nakayama, M., Murayama, S., Sasaki, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+wind+pressures+on+basic+structures+with+curved+surfaces+and+their+response+in+turbulent+flow.">Characteristics of wind pressures on basic structures with curved surfaces and their response in turbulent flow.</a> J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 38, 427-438 (1991).</li><li>Manhart, M., Wengle, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-eddy+simulation+of+turbulent+bounday+layer+flow+over+a+hemisphere.">Large-eddy simulation of turbulent bounday layer flow over a hemisphere.</a> Direct and Large-Eddy Simulation I: Selected papers from the First ERCOFTAC Workshop on Direct and Large-Eddy Simulation. , 299-301 (1994).</li><li>Manhart, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vortex+shedding+from+a+hemisphere+in+a+turbulent+boundary+layer.">Vortex shedding from a hemisphere in a turbulent boundary layer.</a> Theor. Comp. Fluid Dyn. 12, 1-28 (1998).</li><li>Meroney, R. N., Letchford, C. W., Sarkar, P. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+numerical+and+wind+tunnel+simulation+of+wind+loads+on+smooth,+rough+and+dual+domes+immersed+in+a+boundary+layer.">Comparison of numerical and wind tunnel simulation of wind loads on smooth, rough and dual domes immersed in a boundary layer.</a> Wind Struct. 5 (2-4), 347-358 (2002).</li><li>Hunt, J. C. R., Abell, C. J., Peterka, J. A., Woo, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinematical+studies+of+the+flows+around+free+or+surface-mounted+obstacles;+applying+topology+to+flow+visualization.">Kinematical studies of the flows around free or surface-mounted obstacles; applying topology to flow visualization.</a> J. Fluid Mech. 86 (01), 179 (2006).</li><li>Legendre, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lignes+de+courant+d'un+ecoulement+permanent:+decollement+et+separation.">Lignes de courant d'un ecoulement permanent: decollement et separation.</a> La Recherche A&#233;rospatiale. 6, 327-335 (1977).</li><li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+of+Surface+Flow.">Visualization of Surface Flow.</a> Flow Visual. , 82-89 (1987).</li><li>Simpson, R. L., Long, C. H. H., Byun, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+vortical+separation+from+an+axisymmetric+hill.">Study of vortical separation from an axisymmetric hill.</a> Int. J. Heat Fluid Flow. 23 (5), 582-591 (2002).</li><li>Byun, G., Simpson, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-pressure+fluctuations+from+separated+flow+over+an+axisymmetric+bump.">Surface-pressure fluctuations from separated flow over an axisymmetric bump.</a> Am. Inst. Aeronaut. Astronaut. J. 48 (10), 2397-2405 (2010).</li><li>Martinuzzi, R., Tropea, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+flow+around+surface-mounted,+prismatic+obstacles+placed+in+a+fully+developed+channel+flow.">The flow around surface-mounted, prismatic obstacles placed in a fully developed channel flow.</a> J. Fluids Eng. 115, 85-92 (1993).</li><li>R&#246;diger, T., Knauss, H., Gaisbauer, U., Kr&#228;mer, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+and+heat+flux+measurements+on+the+surface+of+a+low-aspect-ratio+circular+cylinder+mounted+on+a+ground+plate.">Pressure and heat flux measurements on the surface of a low-aspect-ratio circular cylinder mounted on a ground plate.</a> New Results Num. Exp. Fluid Mech. VI. , 121-128 (2007).</li><li>Martinuzzi, R., AbuOmar, M., Savory, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling+of+the+wall+pressure+field+around+surface-mounted+pyramids+and+other+bluff+bodies.">Scaling of the wall pressure field around surface-mounted pyramids and other bluff bodies.</a> J. Fluids Eng. 129, 1147-1156 (2007).</li><li>Taniguchi, S., Sakamoto, H., Kiya, M., Arie, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-averaged+aerodynamic+forces+acting+on+a+hemisphere+immersed+in+a+turbulent+boundary.">Time-averaged aerodynamic forces acting on a hemisphere immersed in a turbulent boundary.</a> J. Wind Eng. Indust. Aerodyn. 9, 257-273 (1982).</li><li>Triep, M., Br&#252;cker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+nature+of+the+glottal+jet.">Three-dimensional nature of the glottal jet.</a> The Journal of the Acoustic. Soc. Am. 127 (3), 1537-1547 (2010).</li><li>Khosla, S., Murugappan, S., Paniello, R., Ying, J., Gutmark, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+vortices+in+voice+production:+normal+versus+asymmetric+tension.">Role of vortices in voice production: normal versus asymmetric tension.</a> Laryngoscope. 119 (1), 216-221 (2009).</li><li>Drechsel, J. S., Thomson, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+supraglottal+structures+on+the+glottal+jet+exiting+a+two-layer+synthetic,+self-oscillating+vocal+fold+model.">Influence of supraglottal structures on the glottal jet exiting a two-layer synthetic, self-oscillating vocal fold model.</a> The Journal of the Acoustical Society of America. 123 (6), 4434-4445 (2008).</li><li>Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (1998).</li><li>Neubauer, J., Zhang, Z., Miraghaie, R., Berry, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+structures+of+the+near+field+flow+in+a+self-oscillating+physical+model+of+the+vocal+folds.">Coherent structures of the near field flow in a self-oscillating physical model of the vocal folds.</a> J. Acoustic. Soc. Am. 121 (2), 1102-1118 (2007).</li><li>Krebs, F., Silva, F., Sciamarella, D., Artana, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+study+of+the+glottal+jet.">A three-dimensional study of the glottal jet.</a> Exp. Fluids. 52 (5), 1133-1147 (2011).</li><li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry. 30, (2010).</li><li>Tobak, M., Peake, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Topology+of+three-dimensional+separated+flows.">Topology of three-dimensional separated flows.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 14, 61-85 (1982).</li><li>Zhang, Y., Jiang, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetric+Spatiotemporal+Chaos+Induced+by+a+Polypoid+Mass+in+the+Excised+Canine+Larynx.">Asymmetric Spatiotemporal Chaos Induced by a Polypoid Mass in the Excised Canine Larynx.</a> Chaos. 18, 43102 (2008).</li><li>D&#233;lery, J. M., Jean, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Delery+Toward+the+elucidation+of+three-dimensional+separation.">Delery Toward the elucidation of three-dimensional separation.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 33, 129-154 (2001).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Das Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz und deren anschließende Wirkung auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um Einblicke und Modelle zu liefern, um die Behandlung von Stimmfaltenpolypen und Knötchen voranzutreiben. Die Variationen der aerodynamischen Belastungen, die durch das Modell Polypen in diesem Experiment verursacht werden, dürften zu einer unregelmäßigen Stimmfaltendynamik beitragen, die bei ...

Die Stimmfalten sind zwei Gewebebänder, die sich über die stimmliche Atemwege erstrecken. Stimmsprache wird erzeugt, wenn ein kritischer Lungendruck erreicht wird, der Luft durch adduktisierte Stimmfalten erzwingt. Die Stimmfalten bestehen aus vielen Gewebeschichten und werden oft durch ein vereinfachtes zweilagiges Bodycover-System1dargestellt. Die extrazelluläre Matrix, die den Großteil der Deckschicht ausmacht, besteht aus Kollagen- und Elastinfasern und bietet nichtlineare Spannungs-Dehnungseigenschaften, die für die richtige Bewegung der Stimmfalten1,2wichtig sind. Aerodynamische Kräfte vermitteln dem Gewebe der Stimmfalten Energie und regen selbstgetragene Schwingungenan 3. Während die Stimmfalten oszillieren, bildet die Öffnung zwischen ihnen, die als Glottis bezeichnet wird, eine zeitlich variierende Öffnung, die von einer konvergenten zu einer Uniform und dann zu einer divergierenden Passage übergeht, bevor sie den Zyklus4,6schließt und wiederholt. Schwingungsfrequenzen für normale Sprache erstrecken sich typischerweise über 100-220 Hz bei Männern bzw. Weibchen, wodurch ein pulsatiles Strömungsfeld entsteht, das durch die Glottis7verläuft. Der Fluidstruktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig8-12untersucht; jedoch ist die Störung dieses Prozesses für einige Pathologien nicht gut verstanden. Pathologische Bedingungen der Stimmfalten können zu dramatischen Veränderungen in ihrer Dynamik führen und die Fähigkeit beeinflussen, gesprochene Sprache zu erzeugen.
Polypen und Knötchen sind geometrische Anomalien, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden. Diese Anomalien können die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten beeinträchtigen13. Dennoch wurde erst vor kurzem die Störung des Strömungsfeldes aufgrund einer geometrischen Protuberanz wie ein Polyp als14betrachtet. Diese Studie zeigte, dass der "normale" Energieaustauschprozess der Flüssigkeitsstruktur drastisch verändert wurde und dass die Veränderung des Strömungsfeldes der wahrscheinlichste Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen und Knötchen war. Es wurde kein umfassendes Verständnis der Strömungsstrukturen durch dreidimensionale Strömungstrennung von einem Polypen im pulsatilen Fluss festgestellt. Die Erzeugung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einem Polypen und deren anschließende Auswirkungen auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist eine notwendige kritische Komponente, um die chirurgische Sanierung von Polypen bei Patienten voranzutreiben.
Während die Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid im stetigen Fluss15-23untersucht wurde, gibt es überraschenderweise wenig Informationen über eine unbeständige dreidimensionale Strömungstrennung von einem Hemispheroid an einer Wand, die pulsatilen oder unbeständigen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in der Sprache zu finden sind. Die bahnbrechende Arbeit von Acarlar und Smith15 lieferte eine Analyse der dreidimensionalen kohärenten Strukturen, die durch stetigen Fluss über ein wandmontiertes Hemispheroid innerhalb einer laminaren Grenzschicht erzeugt werden. Acarlar und Smith identifizierten zwei Arten von vortical Strukturen. Vor der halbkugelförmigen Protuberanz bildete sich ein stehender Hufeisenwirbel, der sich flussabwärts der Protuberanz auf beiden Seiten erstreckte. Zusätzlich wurden Haarnadelwirbel periodisch von der Wand montiert Hemispheroid in die Wache vergossen. Die komplexe Bewegung und das Fortschreiten der Haarnadelwirbel wurde untersucht und detailliert beschrieben.
Der Fluss über einen glatt konturierten axisymmetrischen Hügel wurde zuvor untersucht, in dem sowohl oberflächenstatische Druckmessungen als auch Oberflächenölvisualisierungen an und nach der Beule innerhalb eines turbulenten Scherflusses erfasst wurden. Ölfilmtechniken ermöglichen die Visualisierung von Hautreibungslinien, Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsbereichen sowie Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb eines Oberflächenflusses und sind nützlich, um die Nachfuhr eines wandmontierten Objekts zu untersuchen. Für diese Technik wird die Oberfläche von Interesse mit einem dünnen Film aus einer Ölbasis und feinem Pulverpigment(d.h. Lampenschwarz, Graphitpulver oder Titandioxid) Gemisch beschichtet. Bei den gewünschten Strömungsbedingungen führen Reibungskräfte dazu, dass sich das Öl entlang der Oberfläche bewegt, wodurch sich das Pigmentpulver in Streifen ablagert. Kritische oder Singularitätspunkte, Positionen, an denen die Scherspannung Null oder zwei oder mehr Komponenten der mittleren Geschwindigkeit null ist, können aus dem resultierenden Hautreibungslinienmuster als Sattelpunkte oder Knotenpunkte24-26klassifiziert werden.
Für die Hügelgeometrie wurde keine Durchtrennung verursachte Singularität flussaufwärts gefunden; dies wurde auf die sanft aufsteigende Kontur der Beule zurückgeführt, die nicht den negativen Druckgradienten erzeugte, der bei einer halbkugelförmigen Protuberanz auftritt. Folglich beschleunigte sich der Fluss bis zum Höhepunkt der Beule, nach der sich kurz hinter der Stoßmittellinie unbeständige Sattelfokus-Trennpunkte entwickelten, wie es bei der Bildung eines Haarnadelwirbels27,28zu erwarten wäre. In einer Studie mit ähnlichen experimentellen Techniken mit einer anderen Wandgeometrie zeigte die Ölfilm-Visualisierung um einen oberflächenmontierten Würfel im stetigen Fluss, durchgeführt von Martinuzzi und Tropea29, zwei klare Hautreibungslinien vor dem Objekt. Die erste Hautreibungslinie entsprach der primären Trennlinie, die durch den ungünstigen Druckgradienten verursacht wurde, und die zweite Reibungslinie der Haut markierte die zeitgemittelte Position des Hufeisenwirbels. Oberflächendruckmessungen, die vor dem Objekt durchgeführt wurden, zeigten ein lokales Minimum entlang der Hufeisenwirbellinie und ein lokales Druckmaximum zwischen der primären Trennung und hufeisenwirbellinien. Ähnliche vorgelagerte Trennlinien werden mit anderen oberflächenmontierten Geometrien einschließlich eines Kreisförmigen Zylinders, einer Pyramide und eines Kegels29-31gebildet. Die Oberflächenvisualisierung nach den Wandobjekten zeigt in der Regel zwei Brennpunkte an, die durch den Rezirkulationsbereich hinter dem Objekt30verursacht werden. Zwei Wirbel werden an den Brennpunkten erzeugt und entsprechen dem "Arch-Typ" oder Haarnadelwirbel, der im Gefolge eines wandmontierten Hemispheroids32zu sehen ist.
Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurde bisher verwendet, um den Fluss nachdemzulesen von synthetischen Stimmfaltenmodellen33-35zu untersuchen. PIV ist eine nichtinvasive Visualisierungstechnik, bei der die Bewegung von Tracer-Partikeln innerhalb einer Ebene erfasst wird, um die räumlich-zeitliche Strömungsdynamik zu erfassen36. Dreidimensionale zusammenhängende Strukturen, die sich nach den oszillierenden Stimmfalten bilden, wurden von Neubauer et al. untersucht. 37; Wirbelerzeugung und Konvektion und Jet-Schlag wurden beobachtet. Kürzlich, Krebs et al. 38 untersuchte die Dreidimensionalität des Glottalstrahls mit stereoskopischem PIV und die Ergebnisse zeigen die Glottal-Jet-Achsenschaltung. Erath und Plesniak14 untersuchten die Wirkung eines Modellstimmfaltenpolypes auf die mediale Oberfläche eines 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodells. Unterhalb des Polyp simonierte sich eine Rezirkulationsregion und die Strahldynamik wurde während des gesamten Phonationszyklus beeinflusst. Die bisherigen Studien, mit Ausnahme der getriebenen Vokalfalten-Polyp-Studie von Erath und Plesniak14, haben die Strömungsdynamik, die durch einen medialen Stimmfaltenpolyp oder Knötchen induziert wird, nicht erforscht.
Es ist wichtig, die fluiddynamische Wirkung des Modellpolypes in stetigen und pulsatilen Strömungsfeldern zu verstehen, bevor die zusätzliche Komplexität der stimmlichen Faltwände, induzierte Druckgradienten, begrenztes geometrisches Volumen und andere Feinheiten eingeschlossen werden. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Signatur der Strömungsstrukturen an der nachgelagerten Wand unter stabilen und unbeständigen Strömungsbedingungen. Die Wechselwirkungen zwischen den vorticalen Strukturen, die aus einem Vorsprung und der nachgeschalteten Wand vergossen werden, sind von großem Interesse für die Untersuchung von Stimmfaltenpolypen sowie anderen biologischen Überlegungen, da diese Wechselwirkungen eine biologische Reaktion auslösen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="699">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="126">
			<td height="126" style="height:126px;width:216px;">Rapid Prototyper</td>
			<td style="width:139px;">Objet</td>
			<td style="width:119px;">Objet24</td>
			<td style="width:227px;">Tray Size (X&#215;Y&#215;Z): 240 &#215; 200 &#215; 150 mm 
			Build layer thickness =&#160; 28 &#181;m&#160; 
			Accuracy = 0.1 mm 
			Build Resolution: X-axis: 600 dpi, Y-axis: 600 dpi, Z-axis: 900 dpi</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Rapid Prototyper Model Material</td>
			<td style="width:139px;">Objet</td>
			<td style="width:119px;">VeroWhite Plus Fullcure 835</td>
			<td style="width:227px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Rapid Prototyper Support Material</td>
			<td style="width:139px;">Objet</td>
			<td style="width:119px;">FullCure 705 Support</td>
			<td style="width:227px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Copy Toner</td>
			<td style="width:139px;">Xerox</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:227px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Kerosene</td>
			<td style="width:139px;">Sunnyside</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:227px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Baby Oil</td>
			<td style="width:139px;">Johnson&#39;s</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:227px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Adhesive Paper</td>
			<td style="width:139px;">Con-Tact Brand</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:227px;">White adhesive covering</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tygon Tubing</td>
			<td style="width:139px;">Tygon</td>
			<td style="width:119px;">PVC Tubing</td>
			<td style="width:227px;">1/16&#34; ID, 3/16&#34;OD</td>
		</tr>
		<tr height="151">
			<td height="151" style="height:151px;width:216px;">Pressure Scanner (16 channel)</td>
			<td style="width:139px;">Scanivalve</td>
			<td style="width:119px;">DSA3217</td>
			<td style="width:227px;">Used for gas pressure measurements 
			Pressure range = +/- 5&#34; H2O 
			Full scale accuracy = +/-0.3% full scale accuracy.&#160; 
			Maximum scan rate = 500 Hz/channel</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Stainless Steel Tubulations</td>
			<td style="width:139px;">Scanivalve</td>
			<td style="width:119px;">TUBN-063-1.0</td>
			<td style="width:227px;">0.063&#34; Diameter and 1&#34; Length</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

investigating the three-dimensional flow separation induced by a model vocal fold polyp

Der Fluid-Struktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig untersucht, ist aber für pathologische Bedingungen nicht gut verstanden. Polypen und Knötchen, die geometrische Anomalien sind, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden, können die Stimmfaltendynamik stören und können daher verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Unser Labor hat Partikelbild-Velocimetrie -Messungen (PIV) im Rahmen einer Untersuchung eines Modellpolypes gemeldet, der sich auf der medialen Oberfläche eines in vitro angetriebenen Stimmfaltmodells befindet, die zeigen, dass eine solche geometrische Anomalie das Glottalstrahlverhalten erheblich stört. Diese Durchflussfeldanpassung ist ein wahrscheinlicher Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen. Ein vollständigeres Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz, wie z.B. einem Stimmfaltenpolypen, und der daraus resultierende Einfluss auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um die Behandlung dieser pathologischen Erkrankung voranzutreiben. Die vorliegende Untersuchung betrifft die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch ein wandmontiertes Prolate-Hemispheroid mit einem Seitenverhältnis von 2:1 im Querfluss, d.h. einem Modell-Vokalfaltenpolypen, mit einer Öl-Film-Visualisierungstechnik induziert wird. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und deren Auswirkungen der Wanddruckbelastung werden mittels Hautreiblinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Frühere Arbeiten mit einem 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodell haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer geometrischen Protuberance, Modellstimmfaltenpolypen, die normale Dynamik des Glottalstrahls während des gesamten Phonatorationszyklus stört. Repräsentative Ergebnisse der vorherigen getriebenen Vokalfaltenmodellstudie sind in Abbildung 2 und Video 2dargestellt. Das Video zeigt die Bewegung der angetriebenen Stimmfalten, während sie sich von einer konv...

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Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

investigating-three-dimensional-flow-separation-induced-model-vocal

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.4K Aufrufe.  The George Washington University. Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Serie: Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The Three-Dimensional Human Skin Reconstruct Model: a Tool to Study Normal  Skin and Melanoma Progression

Most in vitro studies in experimental skin biology have been done in 2-dimensional (2D) monocultures, while accumulating evidence suggests that cells behave differently when they are grown within a 3D extra-cellular matrix and also interact with other cells (1-5). Mouse models have been broadly utilized to study tissue morphogenesis in vivo. However mouse and human skin have significant differences in cellular architecture and physiology, which makes it difficult to extrapolate mouse studies to humans. Since melanocytes in mouse skin are mostly localized in hair follicles, they have distinct biological properties from those of humans, which locate primarily at the basal layer of the epidermis. The recent development of 3D human skin reconstruct models has enabled the field to investigate cell-matrix and cell-cell interactions between different cell types. The reconstructs consist of a "dermis" with fibroblasts embedded in a collagen I matrix, an "epidermis", which is comprised of stratified, differentiated keratinocytes and a functional basement membrane, which separates epidermis from dermis. Collagen provides scaffolding, nutrient delivery, and potential for cell-to-cell interaction. The 3D skin models incorporating melanocytic cells recapitulate natural features of melanocyte homeostasis and melanoma progression in human skin. As in vivo, melanocytes in reconstructed skin are localized at the basement membrane interspersed with basal layer keratinocytes. Melanoma cells exhibit the same characteristics reflecting the original tumor stage (RGP, VGP and metastatic melanoma cells) in vivo. Recently, dermal stem cells have been identified in the human dermis (6). These multi-potent stem cells can migrate to the epidermis and differentiate to melanocytes.

In this report, we describe the three-dimensional skin reconstruct model which mimics human skin in architecture and composition. Melanocyte physiology, melanoma progression and the fate of dermal stem cells have been investigated using the skin reconstruct model. The model is also useful as a preclinical tool for drug assessment.

Die dreidimensionalen humanen Haut Rekonstruieren Modell: ein Tool für normale Haut und Melanom Progression Study

Most in vitro studies in experimental skin biology have been done in 2-dimensional (2D) monocultures, while accumulating evidence suggests that cells ...

Forschung

Biotechnik

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

Synthetic, Multi-Layer, Self-Oscillating Vocal Fold Model Fabrication

Sound for the human voice is produced via flow-induced vocal fold vibration. The vocal folds consist of several layers of tissue, each with differing material properties 1. Normal voice production relies on healthy tissue and vocal folds, and occurs as a result of complex coupling between aerodynamic, structural dynamic, and acoustic physical phenomena. Voice disorders affect up to 7.5 million annually in the United States alone 2 and often result in significant financial, social, and other quality-of-life difficulties. Understanding the physics of voice production has the potential to significantly benefit voice care, including clinical prevention, diagnosis, and treatment of voice disorders.
Existing methods for studying voice production include in vivo experimentation using human and animal subjects, in vitro experimentation using excised larynges and synthetic models, and computational modeling. Owing to hazardous and difficult instrument access, in vivo experiments are severely limited in scope. Excised larynx experiments have the benefit of anatomical and some physiological realism, but parametric studies involving geometric and material property variables are limited. Further, they are typically only able to be vibrated for relatively short periods of time (typically on the order of minutes).
Overcoming some of the limitations of excised larynx experiments, synthetic vocal fold models are emerging as a complementary tool for studying voice production. Synthetic models can be fabricated with systematic changes to geometry and material properties, allowing for the study of healthy and unhealthy human phonatory aerodynamics, structural dynamics, and acoustics. For example, they have been used to study left-right vocal fold asymmetry 3,4, clinical instrument development 5, laryngeal aerodynamics 6-9, vocal fold contact pressure 10, and subglottal acoustics 11 (a more comprehensive list can be found in Kniesburges et al. 12)
Existing synthetic vocal fold models, however, have either been homogenous (one-layer models) or have been fabricated using two materials of differing stiffness (two-layer models). This approach does not allow for representation of the actual multi-layer structure of the human vocal folds 1 that plays a central role in governing vocal fold flow-induced vibratory response. Consequently, one- and two-layer synthetic vocal fold models have exhibited disadvantages 3,6,8 such as higher onset pressures than what are typical for human phonation (onset pressure is the minimum lung pressure required to initiate vibration), unnaturally large inferior-superior motion, and lack of a "mucosal wave" (a vertically-traveling wave that is characteristic of healthy human vocal fold vibration).
In this paper, fabrication of a model with multiple layers of differing material properties is described. The model layers simulate the multi-layer structure of the human vocal folds, including epithelium, superficial lamina propria (SLP), intermediate and deep lamina propria (i.e., ligament; a fiber is included for anterior-posterior stiffness), and muscle (i.e., body) layers 1. Results are included that show that the model exhibits improved vibratory characteristics over prior one- and two-layer synthetic models, including onset pressure closer to human onset pressure, reduced inferior-superior motion, and evidence of a mucosal wave.

The methodology for fabricating synthetic vocal fold models is described. The models are life-sized and mimic the multi-layer structure of the human vocal folds. Results show the models to self-oscillate at pressures comparable to lung pressure and demonstrate flow-induced vibratory responses that are similar to those of human vocal folds.

Synthetische Multi-Layer-, Selbst-Oszillierende Stimmlippen Modell Fabrication

Sound for the human voice is produced via flow-induced vocal fold vibration. The vocal folds consist of several layers of tissue, each with differing ...

Three-dimensional Cell Culture Model for Measuring the Effects of Interstitial Fluid Flow on Tumor Cell Invasion

The growth and progression of most solid tumors depend on the initial transformation of the cancer cells and their response to stroma-associated signaling in the tumor microenvironment 1. Previously, research on the tumor microenvironment has focused primarily on tumor-stromal interactions 1-2. However, the tumor microenvironment also includes a variety of biophysical forces, whose effects remain poorly understood. These forces are biomechanical consequences of tumor growth that lead to changes in gene expression, cell division, differentiation and invasion3. Matrix density 4, stiffness 5-6, and structure 6-7, interstitial fluid pressure 8, and interstitial fluid flow 8 are all altered during cancer progression.
Interstitial fluid flow in particular is higher in tumors compared to normal tissues 8-10. The estimated interstitial fluid flow velocities were measured and found to be in the range of 0.1-3 &mu;m s-1, depending on tumor size and differentiation 9, 11. This is due to elevated interstitial fluid pressure caused by tumor-induced angiogenesis and increased vascular permeability 12. Interstitial fluid flow has been shown to increase invasion of cancer cells 13-14, vascular fibroblasts and smooth muscle cells 15. This invasion may be due to autologous chemotactic gradients created around cells in 3-D 16 or increased matrix metalloproteinase (MMP) expression 15, chemokine secretion and cell adhesion molecule expression 17. However, the mechanism by which cells sense fluid flow is not well understood. In addition to altering tumor cell behavior, interstitial fluid flow modulates the activity of other cells in the tumor microenvironment. It is associated with (a) driving differentiation of fibroblasts into tumor-promoting myofibroblasts 18, (b) transporting of antigens and other soluble factors to lymph nodes 19, and (c) modulating lymphatic endothelial cell morphogenesis 20.
The technique presented here imposes interstitial fluid flow on cells in vitro and quantifies its effects on invasion (Figure 1). This method has been published in multiple studies to measure the effects of fluid flow on stromal and cancer cell invasion 13-15, 17. By changing the matrix composition, cell type, and cell concentration, this method can be applied to other diseases and physiological systems to study the effects of interstitial flow on cellular processes such as invasion, differentiation, proliferation, and gene expression.

Interstitial fluid flow is elevated in solid tumors and can modulate tumor cell invasion. Here we describe a technique to apply interstitial fluid flow to cells embedded in a matrix and then measure its effects on cell invasion. This technique can be easily adapted to study other systems.

Dreidimensionale Zellkultur-Modell zur Messung der Auswirkungen der interstitiellen Flüssigkeit Flow auf Tumorzellinvasion

The growth and progression of most solid tumors depend on the initial transformation of the cancer cells and their response to stroma-associated signaling ...

A Novel Three-dimensional Flow Chamber Device to Study Chemokine-directed Extravasation of Cells Circulating under Physiological Flow Conditions

Extravasation of circulating cells from the bloodstream plays a central role in many physiological and pathophysiological processes, including stem cell homing and tumor metastasis. The three-dimensional flow chamber device (hereafter the 3D device) is a novel in vitro technology that recreates physiological shear stress and allows each step of the cell extravasation cascade to be quantified. The 3D device consists of an upper compartment in which the cells of interest circulate under shear stress, and a lower compartment of static wells that contain the chemoattractants of interest. The two compartments are separated by porous inserts coated with a monolayer of endothelial cells (EC). An optional second insert with microenvironmental cells of interest can be placed immediately beneath the EC layer. A gas exchange unit allows the optimal CO2 tension to be maintained and provides an access point to add or withdraw cells or compounds during the experiment. The test cells circulate in the upper compartment at the desired shear stress (flow rate) controlled by a peristaltic pump. At the end of the experiment, the circulating and migrated cells are collected for further analyses. The 3D device can be used to examine cell rolling on and adhesion to EC under shear stress, transmigration in response to chemokine gradients, resistance to shear stress, cluster formation, and cell survival. In addition, the optional second insert allows the effects of crosstalk between EC and microenvironmental cells to be examined. The translational applications of the 3D device include testing of drug candidates that target cell migration and predicting the in vivo behavior of cells after intravenous injection. Thus, the novel 3D device is a versatile and inexpensive tool to study the molecular mechanisms that mediate cellular extravasation.

The three-dimensional flow chamber device is a novel in vitro technology for the quantitative and step-wise evaluation of the extravasation cascade of cells circulating under conditions of physiological shear stress. The device therefore fills a critical need for basic, preclinical, and clinical studies of cell migration.

A Novel Dreidimensionale-Flow-Kammer-Geräte zu Chemokine gerichtet Extravasation von zirkulierenden Zellen unter physiologischen Bedingungen zu studieren Durchfluss

Extravasation of circulating cells from the bloodstream plays a central role in many physiological and pathophysiological processes, including stem cell ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Construction and Characterization of a Novel Vocal Fold Bioreactor

In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To emulate the dynamic environment of vocal folds, a novel vocal fold bioreactor capable of producing vibratory stimulations at fundamental phonation frequencies is constructed and characterized. The device is composed of a function generator, a power amplifier, a speaker selector and parallel vibration chambers. Individual vibration chambers are created by sandwiching a custom-made silicone membrane between a pair of acrylic blocks. The silicone membrane not only serves as the bottom of the chamber but also provides a mechanism for securing the cell-laden scaffold. Vibration signals, generated by a speaker mounted underneath the bottom acrylic block, are transmitted to the membrane aerodynamically by the oscillating air. Eight identical vibration modules, fixed on two stationary metal bars, are housed in an anti-humidity chamber for long-term operation in a cell culture incubator. The vibration characteristics of the vocal fold bioreactor are analyzed non-destructively using a Laser Doppler Vibrometer (LDV). The utility of the dynamic culture device is demonstrated by culturing cellular constructs in the presence of 200-Hz sinusoidal vibrations with a mid-membrane displacement of 40 &#181;m. Mesenchymal stem cells cultured in the bioreactor respond to the vibratory signals by altering the synthesis and degradation of vocal fold-relevant, extracellular matrix components. The novel bioreactor system presented herein offers an excellent in vitro platform for studying vibration-induced mechanotransduction and for the engineering of functional vocal fold tissues.

A novel vocal fold bioreactor capable of delivering physiologically relevant, vibratory stimulation to cultured cells is constructed and characterized. This dynamic culture device, when combined with a fibrous poly(&#949;-caprolactone) scaffold, creates a vocal fold-mimetic environment that modulates the behaviors of mesenchymal stem cells.

Konstruktion und Charakterisierung eines neuartigen Bioreaktor Stimmlippen

In vitro engineering of mechanically active tissues requires the presentation of physiologically relevant mechanical conditions to cultured cells. To ...

Analysis of Cell Migration within a Three-dimensional Collagen Matrix

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic development, wound healing, and immune responses. However, cell migration is also a key mechanism in cancer enabling these cancer cells to detach from the primary tumor to start metastatic spreading. Within the past years various cell migration assays have been developed to analyze the migratory behavior of different cell types. Because the locomotory behavior of cells markedly differs between a two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) environment it can be assumed that the analysis of the migration of cells that are embedded within a 3D environment would yield in more significant cell migration data. The advantage of the described 3D collagen matrix migration assay is that cells are embedded within a physiological 3D network of collagen fibers representing the major component of the extracellular matrix. Due to time-lapse video microscopy real cell migration is measured allowing the determination of several migration parameters as well as their alterations in response to pro-migratory factors or inhibitors. Various cell types could be analyzed using this technique, including lymphocytes/leukocytes, stem cells, and tumor cells. Likewise, also cell clusters or spheroids could be embedded within the collagen matrix concomitant with analysis of the emigration of single cells from the cell cluster/ spheroid into the collagen lattice. We conclude that the 3D collagen matrix migration assay is a versatile method to analyze the migration of cells within a physiological-like 3D environment.

Cell migration is a biological phenomenon that is involved in a plethora of physiological, such as wound healing and immune responses, and pathophysiological processes, like cancer. The 3D-collagen matrix migration assay is a versatile tool to analyze the migratory properties of different cell types within in a 3D physiological-like environment.

Analyse der Zellmigration in eine dreidimensionale Kollagenmatrix

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models reflect the human wound situation better than animal models. Although two-dimensional models are widely used to investigate processes such as cellular migration and proliferation, models that are more complex are required to gain a deeper knowledge about wound healing. Besides a suitable model system, the generation of precise and reproducible wounds is crucial to ensure comparable results between different test runs. In this study, the generation of a three-dimensional full thickness skin equivalent to study wound healing is shown. The dermal part of the models is comprised of human dermal fibroblast embedded in a rat-tail collagen type I hydrogel. Following the inoculation with human epidermal keratinocytes and consequent culture at the air-liquid interface, a multilayered epidermis is formed on top of the models. To study the wound healing process, we additionally developed an automated wounding device, which generates standardized wounds in a sterile atmosphere.

The goal of this protocol is to build up a three-dimensional full thickness skin equivalent, which resembles natural skin. With a specifically constructed automated wounding device, precise and reproducible wounds can be generated under maintenance of sterility.

Erzeugung eines dreidimensionalen Vollhaut Equivalent und automatisierte Verwundung

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Studying Protein Function and the Role of Altered Protein Expression by Antibody Interference and Three-dimensional Reconstructions

A strict management of protein expression is not only essential to every organism alive, but also an important strategy to investigate protein functions in cellular models. Therefore, recent research invented different tools to target protein expression in mammalian cell lines or even animal models, including RNA and antibody interference. While the first strategy has gathered much attention during the past two decades, peptides &#160;mediating a translocation of antibody cargos across cellular membranes and into cells, obtained much less interest. In this publication, we provide a detailed protocol how to utilize a peptide carrier named Chariot in human embryonic kidney cells as well as in primary hippocampal neurons to perform antibody interference experiments and further illustrate the application of three-dimensional reconstructions in analyzing protein function. Our findings suggest that Chariot is, probably due to its nuclear localization signal, particularly well-suited to target proteins residing in the soma and the nucleus. Remarkably, when applying Chariot to primary hippocampal cultures, the reagent turned out to be surprisingly well accepted by dissociated neurons.

Controlling protein expression is not only essential to every organism alive, but also an important strategy to investigate protein functions in cellular models. The protocol presented shows the application of antibody interference in mammalian cells including primary hippocampal neurons and demonstrates the use of three-dimensional reconstructions in studying protein function.

Das Studium von Proteinfunktionen und die Rolle der Altered Protein Expression von Antikörper-Interferenz und Dreidimensionale Rekonstruktionen

A strict management of protein expression is not only essential to every organism alive, but also an important strategy to investigate protein functions ...