Procédé de fabrication de modèles de cordes vocales super douces non adhésives

Résumé

Cette étude démontre la fabrication de modèles de cordes vocales non collantes et super douces en introduisant une façon spécifique de créer les couches de cordes vocales, en fournissant une description détaillée de la procédure de fabrication et en caractérisant les propriétés des modèles.

Résumé

Cette étude vise à développer des modèles de cordes vocales super douces et non collantes pour la recherche vocale. Le processus de fabrication conventionnel des modèles de cordes vocales à base de silicone donne des modèles avec des propriétés indésirables, telles que des problèmes d’adhérence et de reproductibilité. Ces modèles de cordes vocales sont sujets à un vieillissement rapide, ce qui entraîne une faible comparabilité entre différentes mesures. Dans cette étude, nous proposons une modification du processus de fabrication en changeant l’ordre de superposition du matériau en silicone, ce qui conduit à la production de modèles de cordes vocales non collants et très cohérents. Nous comparons également un modèle produit à l’aide de cette méthode avec un modèle de cordes vocales fabriqué de manière conventionnelle qui est affecté négativement par sa surface collante. Nous détaillons le processus de fabrication et caractérisons les propriétés des modèles pour des applications potentielles. Les résultats de l’étude démontrent l’efficacité de la méthode de fabrication modifiée, mettant en évidence les qualités supérieures de nos modèles de cordes vocales non collantes. Les résultats contribuent au développement de modèles réalistes et fiables des cordes vocales pour la recherche et les applications cliniques.

Introduction

Les modèles de cordes vocales sont utilisés pour simuler et étudier la production de la voix humaine dans des conditions normales et pathologiques ^1,2. L’un des plus grands défis dans la création de modèles de cordes vocales est d’obtenir une douceur et une flexibilité réalistes qui se rapprochent de celles des humains. Pour obtenir ces propriétés, on utilise souvent des élastomères de silicone, qui sont dilués avec de grandes quantités d’huile de silicone pour obtenir les modules d’élasticité correspondants ^3,4. Un autre facteur crucial dans la création de modèles réalistes de cordes vocales est la superposition, car les cordes vocales sont constituées de plusieurs couches de douceur variable, qui déterminent le modèle de vibration induite par le flux et la fréquence à laquelle la vibration est possible.

Dans cette étude, nous avons créé un modèle typique des cordes vocales. Nous avons utilisé la géométrie commune fournie par Scherer⁵, qui représente les dimensions typiques des cordes vocales masculines de 17 mm de long selon Zhang⁶ et se compose de trois couches : une couche pour le muscle vocalis (couche du corps), une pour toute la couche muqueuse (couche de couverture) et une pour l’épithélium. Cette structure peut être vue dans la vue en coupe coronale de la figure 1.

Figure 1 : Coupe coronale des modules du larynx. Coupe coronale des modules du larynx illustrant la plus grande largeur des cordes vocales (8,5 mm). Chaque corde vocale comprend une couche corporelle, une couche de couverture et une couche d’épithélium. Cette figure a été modifiée de¹³. Reproduction de Häsner, P., Prescher, A., Birkholz, P. Effet des parois ondulées de la trachée sur la pression d’amorçage de l’oscillation des cordes vocales en silicone. J Acoust Soc Am.149 (1), 466-475 (2021) avec la permission de l’Acoustical Society of America. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

D’autres publications n’utilisent partiellement qu’une seule couche⁷, deux couches sans couche d’épithélium² ou modélisent la muqueuse avec plusieurs couches³. Habituellement, les couches sont coulées de l’intérieur vers l’extérieur, c’est-à-dire en commençant par la couche la plus profonde. L’épithélium, très fin avec 30 μm d’épaisseur, est coulé à l’extrémité sur tout le corps pour l’envelopper d’une peau solide⁸.

La couche de couverture du modèle est la partie la plus molle, avec un module de Young d’environ 1,1 kPa⁹. Pour la couche corporelle, le module de Young approximatif dans le sens transversal en utilisant les mesures in vitro ¹⁰ est de 2 kPa. In vivo, le module de Young du muscle thyroaryténoïdien peut être plus élevé en raison de la présence de fibres dans le sens longitudinal ainsi que de la tension possible du muscle. Pour obtenir ce module de Young extrêmement bas, il est nécessaire d’ajouter une grande quantité d’huile de silicone au mélange de silicone (environ 72%). Cependant, le fabricant déconseille fortement d’utiliser une proportion d’huile supérieure à 5 %. En général, l’ajout d’huile de silicone à l’élastomère vise à augmenter le débit et le temps d’égouttement, ainsi qu’à réduire le rétrécissement du polymère de silicone durci. Il aide le silicone à durcir plus uniformément, réduisant ainsi les contraintes dans le matériau. Son but est d’optimiser la moulabilité et les propriétés du matériau durci, plutôt que d’augmenter sa douceur, bien que ce soit également une conséquence. En effet, l’huile de silicone est chimiquement inerte, ce qui signifie qu’elle ne peut pas se polymériser et n’est pas intégrée dans le réseau du polymère de silicone¹¹. Au lieu de cela, il reste sous forme de phase liquide dans la matrice polymère, affaiblissant la structure du polymère à des niveaux plus élevés et le faisant potentiellement dissoudre hors du matériau durci et adhérer à la surface. En conséquence, d’autres propriétés négatives telles que les troubles de la guérison, la vulcanisation inégale, le rétrécissement chimique et la fragilité sont possibles. Des modèles de cordes vocales à forte teneur en huile de silicone ont été étudiés en ce qui concerne le vieillissement et la reproductibilité, et il a été constaté qu’il existe une grande variabilité des propriétés des différents modèles et une modification de leurs propriétés au fil du temps¹¹.

Lors de la production de modèles de cordes vocales de manière conventionnelle ^7,12, l’adhérence de la couche épithéliale peut être un problème car elle peut affecter l’homogénéité des vibrations et entraîner une rupture de l’épithélium. Bien que le silicone utilisé pour fabriquer l’épithélium ne soit pas dilué, on peut supposer que l’huile qui s’échappe de la couche de muqueuse voisine a des effets similaires sur le silicone que s’il avait été dilué. Le problème de l’adhérence a été résolu en ajoutant diverses poudres telles que du talc ou de la poudre de carbone comme couche intermédiaire entre la muqueuse et la couche épithéliale¹². Cette approche a peut-être été couronnée de succès parce que l’huile a été partiellement absorbée par la poudre et, par conséquent, l’adhérence de la surface épithéliale a pu être réduite.

Dans cette publication, nous montrons que le problème de l’adhérence peut être contourné par une légère modification du processus de fabrication des cordes vocales. En changeant l’ordre de superposition et en commençant par le silicone épithélial non dilué (appelé silicone fermé), il est possible de produire des modèles de cordes vocales super douces et non collantes. Ce changement implique des types de moules et de méthodes inhabituels qui sont mieux présentés et expliqués sous la forme d’une vidéo. Dans cet article, nous décrivons en détail notre processus de fabrication et démontrons comment les propriétés des modèles de cordes vocales peuvent être caractérisées dans une application.

Protocole

1. Conception des modèles des cordes vocales et impression 3D des pièces

1. Créez une représentation multicouche de la géométrie M5 commune des cordes vocales en silicone en utilisant divers matériaux en silicone souple. Concevez les différentes pièces à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Consultez le Fichier supplémentaire de codage 1, le Fichier supplémentaire de codage 2, le Fichier supplémentaire de codage 3, le Fichier supplémentaire de codage 4, le Fichier supplémentaire de codage 5, le Fichier supplémentaire de codage 6, le Fichier supplémentaire de codage 7, le Fichier supplémentaire de codage 8 pour plus de détails. Les fichiers sont nommés en fonction de leur fonction dans le modèle et servent de base aux étapes suivantes.
2. Compilez et organisez les fichiers nécessaires pour chaque étape de l’étape 2. Reportez-vous à la liste des pièces requises et à leurs quantités dans la figure supplémentaire 1. Voir une représentation schématique de l’assemblage du moule dans la figure supplémentaire 2.
3. Chargez les fichiers STL dans un programme d’impression 3D pour générer des fichiers G-code lisibles par l’imprimante 3D.
4. Préparez les matériaux (voir tableau des matériaux) pour l’impression 3D.
   1. Pour le Fichier de codage supplémentaire 2 et le Fichier de codage supplémentaire 5, utilisez un matériau qui provoque des lignes de couche moins visibles, comme l’acide polylactique (PLA+) ou le PC.
   2. Pour le fichier de codage supplémentaire 1, utilisez un matériau plus dur tel que le PLA résistant ou le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) en raison de sa sensibilité aux contraintes de flexion. Aucune autre restriction sur le choix du matériau d’impression ne s’applique aux pièces restantes.
5. Ajustez les paramètres du logiciel d’impression 3D pour l’imprimante 3D sélectionnée correspondante.
   1. Pour le fichier de codage supplémentaire 2 et le fichier de codage supplémentaire 5, définissez une hauteur de couche maximale de 0,1 mm.
   2. Pour le fichier de codage supplémentaire 1, réglez la valeur de remplissage sur 100 % et le motif d’impression sur ZigZag pour obtenir une meilleure stabilité. Définissez également la catégorie d’adhérence de la plaque de construction sur Jupe au lieu de Brim, car la géométrie des pièces rendrait considérablement plus difficile le retrait du bord.
   3. Pour les autres pièces, utilisez les paramètres par défaut et les hauteurs de couche de 0,2 mm.
6. Imprimez les pièces mentionnées sur l’imprimante 3D. Nettoyez les pièces et enlevez tout excès de matériau tel que le bord ou les erreurs d’impression. Lissez les surfaces de contact intérieures avec du papier de verre (égal ou plus fin que P1000 recommandé).

2. Fabrication des modèles de cordes vocales

1. Rassemblez les pièces et matériaux suivants pour créer la couche de carrosserie : vocal-fold-positiv (2x), vocalis_mold-cap, vocalis_mold-main-part, vocalis_mold-hull, silicone primaire, agent de démoulage et diluant (voir le tableau des matériaux pour plus de détails).
   1. Appliquez un peu d’agent de démoulage sur les surfaces intérieures de toutes les pièces du moule.
   2. Assemblez la partie principale et le capuchon du moule sur le positif et placez l’emballage du moule dans le pot désigné. Corrigez l’alignement des deux pièces du moule si nécessaire. Assurez-vous que le trou dans le positif pour verser les faces en silicone vers le haut et que le moule a une assise stable sur une surface plane.
   3. Créez un mélange de silicone primaire avec trois parties de diluant (1 :1 :3), commencez par combiner le composant A avec le diluant, puis ajoutez le composant B. Mélangez soigneusement les composants. Une quantité totale de 6 g de mélange de silicone est suffisante pour couler la couche du corps à partir de deux moitiés de cordes vocales.
   4. Aspirez le mélange de silicone dans une chambre à vide à une sous-pression minimale de -1 bar pour éviter la formation de bulles d’air dans le corps en silicone durci.
   5. Versez délicatement le mélange de silicone sous vide dans la cavité du moule jusqu’à ce qu’il apparaisse rempli. Remplissez les zones environnantes du pot du moule pour éviter que le mélange de silicone très fin ne coule à travers les joints du moule. Vérifiez le niveau de silicone pendant le temps d’égouttement et ajoutez-en plus si nécessaire. Le temps d’égouttage de ce mélange est compris entre 1 et 2 h.
   6. Après un temps de durcissement d’environ 1 jour, mais au moins 8 h, retirez le moule, y compris le positif, du pot. Retirez le silicone entre le moule et le pot avant d’ouvrir le moule.
   7. Lors de l’ouverture du moule, retirez d’abord délicatement le couvercle en commençant par l’arrière du positif. Ensuite, retirez le corps principal du moule. Retirez soigneusement tout excès de silicone à l’aide d’un scalpel ou d’un cutter latéral.
2. Préparez les pièces musosa_mold arrière, musosa_mold partie principale et musosa_mold coque, ainsi que le silicone secondaire et l’agent de démoulage pour la production de la couche d’épithélium. (Voir la table des matériaux).
   REMARQUE : Les étapes 2.1 et 2.2 (couche corporelle et épithélium) peuvent être effectuées simultanément.
   1. Assemblez les deux pièces du moule et placez-les dans la coque. Préparez l’intérieur du moule avec un agent de démoulage, en veillant à ce que les parois intérieures soient recouvertes conformément aux instructions d’utilisation de l’agent de démoulage respectif. Laissez le composant sécher brièvement à l’air libre avant de continuer.
   2. Mélangez un lot de silicone secondaire sans utiliser de diluant (1 :1 :0). Si des bulles d’air ont été introduites dans le mélange de silicone pendant le mélange, dégazez le mélange comme à l’étape 2.1.4.
      REMARQUE : Soyez conscient du court temps d’égouttage de ce mélange, qui est d’environ 15 min.
   3. Versez une partie du mélange dans le moule et faites-le tourner (en laissant le moule dans la coque) jusqu’à ce que toutes les surfaces intérieures soient recouvertes de silicone.
   4. Retournez le moule et laissez l’excès de silicone s’écouler. Fixez le moule dans cette position au-dessus d’un maillage, d’une grille ou à un angle qui permet un drainage supplémentaire du silicone.
   5. Évitez la formation de surplombs dans le silicone pendant le processus de durcissement en le lissant régulièrement, en particulier dans la zone où se trouvera le canal d’air.
      REMARQUE : Ceux-ci peuvent également être retirés avec précaution plus tard avec des pinces.
3. Préparez la production de la couche intermédiaire de muqueuse en préparant le positif avec la couche de silicone vocalis de l’étape 2.1, le moule préparé avec la couche d’épithélium de l’étape 2.2 et le silicone et l’amincissant comme indiqué dans le tableau des matériaux.
   1. Créez un mélange de silicone primaire avec cinq parties de diluant (1 :1 :5), commencez par combiner le composant A avec le diluant, puis ajoutez le composant B. Mélangez soigneusement les composants. Une quantité totale de 4 g de mélange de silicone est suffisante.
   2. Aspirez le mélange de silicone dans une chambre à vide comme à l’étape 2.1.4.
   3. Remplissez une partie du mélange de silicone dans le moule à muqueuse avec le silicone épithélial préparé. Inclinez le moule jusqu’à ce que toutes les surfaces intérieures du silicone épithélial soient recouvertes d’une fine couche d’huile pour faciliter l’insertion du positif.
      REMARQUE : Facultatif : En raison de la forte proportion de diluant, le mélange a un long temps d’égouttage de plusieurs heures pendant lequel le mélange peut rétrécir par évaporation. Par conséquent, attendez environ 2-3 h avant de passer aux étapes suivantes.
   4. Insérez délicatement le positif avec le corps vocal dans le moule. Fixez le positif dans le moule, par exemple avec une pince, si le positif flotte sur le silicone. Selon la quantité de silicone précédemment ajoutée, il peut s’échapper aux points de remplissage.
   5. Remplissez le moule de la même manière que pour le coulage de la couche vocalis et complétez en conséquence si le matériau coule.
   6. Attendez 24 h après la fin du temps d’égouttement pour que le silicone durcisse complètement.
   7. Après 24 h, retirez le corps du moule. Tout d’abord, retirez le moule de la coquille. Ensuite, en commençant par la section arrière, ouvrez le moule et retirez également la partie principale du moule.
   8. Retirez soigneusement tout excès de silicone, lavez la surface et laissez sécher le corps.
4. Montez les deux moitiés de cordes vocales aux emplacements désignés sur le module de mesure et d’assemblage dans le fichier de codage supplémentaire 8. La connexion a été conçue pour deux vis M3 et des écrous carrés M3 (DIN 562), mais ils ne sont pas obligatoires.

Résultats

Le modèle fabriqué des cordes vocales a été intégré dans la configuration de mesure illustrée à la figure supplémentaire 3 à la position des cordes vocales. L’installation, détaillée en détail dans une publication précédente¹³, comprend une source de flux d’air contrôlable à plusieurs étages qui stimule les modèles de cordes vocales en oscillation, ainsi qu’un ensemble d’instruments de mesure qui enregistrent des données telles que la pression acoustiqu...

Discussion

Le processus de fabrication présenté ici comporte des étapes critiques qui ont un impact significatif sur son succès. Tout d’abord, il convient de noter que le procédé de fabrication présenté ne résout pas le problème de la saturation en huile dans le matériau du corps des cordes vocales, mais contourne plutôt certains effets secondaires négatifs. Le dégazage et le retrait et l’ondulation de surface associés persistent, bien que dans une moindre mesure. Une solution à ces problèmes impliquerait l’u...

matériels

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