Proceso de fabricación para modelos de cuerdas vocales supersuaves no adhesivas

Resumen

Este estudio demuestra la fabricación de modelos de cuerdas vocales no pegajosas y superblandas mediante la introducción de una forma específica de crear las capas de las cuerdas vocales, proporcionando una descripción detallada del procedimiento de fabricación y caracterizando las propiedades de los modelos.

Resumen

Este estudio tiene como objetivo desarrollar modelos de cuerdas vocales súper suaves y no pegajosas para la investigación de la voz. El proceso de fabricación convencional de los modelos de cuerdas vocales a base de silicona da como resultado modelos con propiedades indeseables, como problemas de adherencia y reproducibilidad. Esos modelos de cuerdas vocales son propensos a envejecer rápidamente, lo que lleva a una mala comparabilidad entre diferentes mediciones. En este estudio, proponemos una modificación del proceso de fabricación cambiando el orden de estratificación del material de silicona, lo que conduce a la producción de modelos de cuerdas vocales no pegajosas y altamente consistentes. También comparamos un modelo producido con este método con un modelo de cuerdas vocales fabricado convencionalmente que se ve afectado negativamente por su superficie pegajosa. Detallamos el proceso de fabricación y caracterizamos las propiedades de los modelos para posibles aplicaciones. Los resultados del estudio demuestran la eficacia del método de fabricación modificado, destacando las cualidades superiores de nuestros modelos de cuerdas vocales no pegajosas. Los hallazgos contribuyen al desarrollo de modelos realistas y fiables de las cuerdas vocales para la investigación y las aplicaciones clínicas.

Introducción

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.

Protocolo

1. Diseño de los modelos de cuerdas vocales e impresión 3D de piezas

1. Cree una representación de varias capas de la geometría común M5 de las cuerdas vocales de silicona utilizando varios materiales de silicona suave. Diseñe las piezas individuales utilizando un software de diseño asistido por ordenador (CAD). Consulte el Archivo de Codificación Suplementaria 1, el Archivo de Codificación Suplementaria 2, el Archivo de Codificación Suplementaria 3, el Archivo de Codificación Suplementaria 4, el Archivo de Codificación Suplementaria 5, el Archivo de Codificación Suplementaria 6, el Archivo de Codificación Suplementaria 7, el Archivo de Codificación Suplementaria 8 para obtener más detalles. Los archivos se nombran de acuerdo con su función en el modelo y sirven como base para los pasos posteriores.
2. Compile y organice los archivos necesarios para cada paso del paso 2. Consulte la lista de piezas requeridas y sus cantidades en la Figura complementaria 1. Vea una representación esquemática del ensamblaje del molde en la Figura complementaria 2.
3. Cargue los archivos STL en un programa de impresión 3D para generar archivos de código G que puedan ser leídos por la impresora 3D.
4. Prepara los materiales (ver Tabla de Materiales) para la impresión 3D.
   1. Para el archivo de codificación suplementario 2 y el archivo de codificación suplementario 5, utilice un material que provoque líneas de capa menos visibles, como el ácido poliláctico (PLA+) o el PC.
   2. Para el archivo de codificación suplementario 1, utilice un material más duro como PLA resistente o tereftalato de polietileno glicol (PETG) debido a su susceptibilidad a las tensiones de flexión. No se aplican más restricciones en la elección del material de impresión a las piezas restantes.
5. Ajuste la configuración del software de impresión 3D para la impresora 3D seleccionada correspondiente.
   1. Para el archivo de codificación suplementario 2 y el archivo de codificación suplementario 5, establezca una altura de capa máxima de 0,1 mm.
   2. Para el archivo de codificación suplementario 1, establezca el valor de relleno en 100% y el patrón de impresión en ZigZag para lograr una mejor estabilidad. Además, establezca la categoría de adhesión de la placa de construcción en Falda en lugar de Borde, ya que la geometría de las piezas dificultaría considerablemente la eliminación del borde.
   3. Para las otras partes, utilice la configuración predeterminada y las alturas de capa de 0,2 mm.
6. Imprime las piezas mencionadas en la impresora 3D. Limpie las piezas y elimine cualquier exceso de material, como el borde o los errores de impresión. Alise las superficies de contacto internas con papel de lija (igual o más fino que el P1000 recomendado).

2. Fabricación de los modelos de cuerdas vocales

1. Reúna las siguientes partes y materiales para crear la capa del cuerpo: vocal y positivo (2x), vocalis_mold capuchón, vocalis_mold parte principal, casco vocalis_mold, silicona primaria, agente desmoldante y diluyente (consulte la Tabla de materiales para obtener más detalles).
   1. Aplique un poco de agente desmoldante a las superficies internas de todas las piezas del molde.
   2. Ensamble la parte principal y la tapa del molde sobre el positivo y coloque el paquete del molde en la olla designada. Corrija la alineación de las dos partes del molde si es necesario. Asegúrese de que el orificio en el positivo para verter la silicona mire hacia arriba y que el molde tenga una base estable sobre una superficie plana.
   3. Cree una mezcla de la silicona primaria con tres partes de diluyente (1:1:3), comience combinando el componente A con el diluyente y, posteriormente, agregue el componente B. Mezcle bien los componentes. Una cantidad total de 6 g de mezcla de silicona es suficiente para fundir la capa del cuerpo a partir de dos mitades de las cuerdas vocales.
   4. Aspire la mezcla de silicona en una cámara de vacío a un mínimo de -1 bar de subpresión para evitar que se formen burbujas de aire en el cuerpo de silicona curado.
   5. Vierta con cuidado la mezcla de silicona aspirada en la cavidad del molde hasta que parezca llena. Llene las áreas circundantes de la olla de molde para evitar que la mezcla de silicona muy delgada se hunda a través de las juntas del molde. Verifique el nivel de silicona durante el tiempo de goteo y agregue más si es necesario. El tiempo de goteo de esta mezcla es de entre 1-2 h.
   6. Después de un tiempo de curado de aproximadamente 1 día, pero al menos 8 h, retire el molde, incluido el positivo, de la maceta. Retira la silicona entre el molde y la olla antes de abrir el molde.
   7. Al abrir el molde, primero retire con cuidado la tapa comenzando por la parte posterior del positivo. A continuación, retira el cuerpo principal del molde. Retire con cuidado el exceso de silicona con un bisturí o un cortador lateral.
2. Prepare las partes musosa_mold traseras, musosa_mold principales y musosa_mold casco, así como la silicona secundaria y el agente desmoldante para la producción de la capa de epitelio. ( Ver Tabla de Materiales).
   NOTA: Los pasos 2.1 y 2.2 (cuerpo y capa de epitelio) se pueden completar simultáneamente.
   1. Ensamble las dos piezas del molde y colóquelas en el casco. Prepare el interior del molde con algún agente desmoldante, asegurándose de que las paredes internas estén recubiertas de acuerdo con las instrucciones de uso del agente desmoldante respectivo. Deje que el componente se seque al aire brevemente antes de continuar.
   2. Mezcle un lote de silicona secundaria sin usar diluyente (1:1:0). Si se han introducido burbujas de aire en la mezcla de silicona durante la mezcla, desgasifique la mezcla como en el paso 2.1.4.
      NOTA: Tenga en cuenta el corto tiempo de goteo de esta mezcla, que es de unos 15 minutos.
   3. Vierta un poco de la mezcla en el molde y gírelo (dejando el molde en el casco) hasta que todas las superficies interiores estén cubiertas de silicona.
   4. Dale la vuelta al molde y deja que el exceso de silicona se escurra. Asegure el molde en esta posición sobre una malla, rejilla o en un ángulo que permita un mayor drenaje de silicona.
   5. Evite la formación de voladizos en la silicona durante el proceso de curado alisándola regularmente, especialmente en el área donde se ubicará el canal de aire.
      NOTA: Estos también se pueden quitar con cuidado más tarde con unos alicates.
3. Prepare para la producción de la capa intermedia de la mucosa preparando el positivo con la capa de silicona vocalis del paso 2.1, el molde preparado con la capa de epitelio del paso 2.2 y la silicona y el diluyente como se indica en la Tabla de Materiales.
   1. Cree una mezcla de la silicona primaria con cinco partes de diluyente (1:1:5), comience combinando el componente A con el diluyente y, posteriormente, agregue el componente B. Mezcle bien los componentes. Una cantidad total de 4 g de mezcla de silicona es suficiente.
   2. Aspire la mezcla de silicona en una cámara de vacío como en el paso 2.1.4.
   3. Llene una porción de la mezcla de silicona en el molde de mucosa con la silicona epitelial preparada. Incline el molde hasta que todas las superficies interiores de la silicona epitelial estén cubiertas con una fina capa de aceite para facilitar la inserción del positivo.
      NOTA: Opcional: Debido a la alta proporción de diluyente, la mezcla tiene un largo tiempo de goteo de varias horas durante el cual la mezcla puede contraerse por evaporación. Por lo tanto, espere unas 2-3 horas antes de continuar con los siguientes pasos.
   4. Inserte con cuidado el positivo con el cuerpo vocal en el molde. Asegure el positivo en el molde, por ejemplo, con una abrazadera, si el positivo flota en la silicona. Dependiendo de la cantidad de silicona añadida previamente, puede escapar en los puntos de llenado.
   5. Llene el molde de la misma manera que para el vaciado de la capa vocalis y rellene en consecuencia si el material se hunde.
   6. Espere 24 horas después de que haya finalizado el tiempo de goteo para que la silicona se cure por completo.
   7. Pasadas las 24 h, retira el cuerpo del molde. Primero, retira el molde de la carcasa. Luego, comenzando por la sección trasera, abra el molde y retire también la parte principal del molde.
   8. Retire con cuidado el exceso de silicona, lave la superficie y deje que el cuerpo se seque.
4. Monte las dos mitades de las cuerdas vocales en las ubicaciones designadas en el módulo de medición y montaje en el archivo de codificación suplementario 8. La conexión fue diseñada para dos tornillos M3 y tuercas cuadradas M3 (DIN 562), pero no son obligatorias.

Resultados

El modelo fabricado de las cuerdas vocales se integró en la configuración de medición representada en la Figura Suplementaria 3 en la posición de las cuerdas vocales. La configuración, ampliamente detallada en una publicación anterior¹³, comprende una fuente de flujo de aire controlable de múltiples etapas que estimula los modelos de las cuerdas vocales en oscilación, junto con una serie de instrumentos de medición que registran datos como la presión sonora, la presión ...

Discusión

El proceso de fabricación que se presenta aquí implica pasos críticos que afectan significativamente su éxito. En primer lugar, hay que tener en cuenta que el proceso de fabricación presentado no resuelve el problema de la saturación de aceite en el material del cuerpo de las cuerdas vocales, sino que evita ciertos efectos secundarios negativos. La desgasificación y la contracción y ondulación superficial asociadas aún persisten, aunque en menor medida. Una solución a estos problemas implicaría el uso de una ...

Materiales

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