Ce travail est soutenu par la National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 et GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

Dans ce travail, un hémisphéroïde prolate mural, c’est-à-dire un polype de pli vocal modèle, est positionné sur le plancher de la section d’essai d’une soufflerie de type aspiration avec un rapport de contraction de 5:1. La séparation instable et tridimensionnelle de l’écoulement et son effet sur la charge de pression de la paroi sont étudiés à l’aide de la visualisation de l’écoulement d’huile, des mesures de la pression de la paroi et de la vélocimétrie d’image de particules. Les mesures de pression instables sont acquises à l’aide d’un transducteur de pression à balayage à seize canaux avec des capteurs de pression piézorésistifs. Les capteurs de pression ont une réponse en fréquence de 670 Hz. Les prises de pression statiques formées à partir de tubulations en acier inoxydable sont montées encastré en amont et en aval du polype de pli vocal modèle pour faciliter les mesures de pression de surface et courtes plombées au dispositif de pression de balayage. La visualisation du débit d’huile et les mesures de pression de surface ne peuvent pas être obtenues simultanément parce que l’huile s’écoulerait dans les prises de pression, ce qui entraînerait un encrassement.
La section suivante fournit le protocole pour la mise en place et l’acquisition de la visualisation du film d’huile et des mesures de pression de surface autour d’un hémisphéroïde prolate mural. Bien que des mesures de vélocimétrie d’image de particules moyennées par phase et résolues dans le temps soient acquises, l’acquisition de PIV n’est pas incluse dans ce protocole. Les auteurs suggèrent les références de Raffel et al. 36 et Adrian et Westerweel39 pour une compréhension approfondie de la configuration expérimentale PIV, de l’acquisition de données et du traitement des données.
1. Générer la protubérance(c’est-à-dire le polype modèle)
<ol><li>Construisez un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) tridimensionnel avec la géométrie souhaitée. Générez le polype de pli vocal modèle comme hémisphéroïde prolate mesurant 5.08 cm de long, 2.54 cm de large, et 1.27 cm de haut. Montez une base carrée de 2,54 cm de 0,64 cm d’épaisseur au bas du polype de pli vocal modèle. Cette base sera utilisée pour ancrer le modèle au plancher de la section d’essai.</li>
	<li>Exportez le modèle CAO 3D en tant que fichier de stéréolithographie (STL). Le format de fichier STL génère la surface du modèle sous la forme d’une série de triangles. Choisissez une résolution adéquate pour assurer une surface lisse sur le polype modèle. Une résolution d’au moins 600 points/in est recommandée.</li>
	<li>Téléchargez le fichier STL dans le logiciel approprié et imprimez le fichier STL à l’aide d’une imprimante tridimensionnelle haute résolution ou d’un prototypeur rapide avec une résolution de couche de construction d’au moins 20 μm.</li>
	<li>La section d’essai en soufflerie mesure environ 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm avec une plaque inférieure amovible comme le montre la figure 1. Fraisez un trou carré de 2,54 cm d’environ 0,85 cm de profondeur dans la plaque amovible du plancher de la section d’essai de soufflerie pour monter le polype de pli vocal modèle pour les essais. Le trou doit être situé au centre de la largeur de la section d’essai et être situé à l’emplacement en aval souhaité pour l’essai.</li>
</ol>2. Préparation de la visualisation du flux d’huile
<ol><li>Afin de préparer la section d’essai, couvrir la surface de la section d’essai à l’intérieur de la soufflerie avec du papier adhésif blanc. Placez et lissez soigneusement le papier adhésif pour vous assurer que le plancher de la section d’essai n’a pas de bosses dues à des bulles d’air ou à des plis dans le papier adhésif. Percer un trou dans le papier adhésif au-dessus du trou carré dans le plancher de la section d’essai pour que l’ancrage polype du modèle se fixe à la paroi de la section d’essai.</li>
	<li>Insérez la protubérance (polype de pli vocal modèle) dans la position d’ancrage pour préparer l’essai. Voir figure 1.</li>
	<li>Montez une caméra haute résolution au-dessus de la section d’essai en soufflerie. Concentrez la caméra sur le champ de vision choisi, y compris le polype du modèle et la zone de section de test environnante. Définissez les paramètres d’acquisition de la caméra pour les tests. Un réglage vidéo doit être utilisé pour capturer la partie transitoire de la visualisation du flux d’huile ou si des écoulements instables ou pulsatiles sont d’intérêt.</li>
	<li>Préparez le mélange d’huile de visualisation de flux en combinant de l’huile pour bébé, de la poudre de toner de copie et du kérosène dans un rapport de 7:1:2 en volume. Par exemple: mélanger 35 ml d’huile pour bébé, 5 ml de poudre de copie de toner et 10 ml de kérosène. Mélanger l’huile pour bébé et la poudre de toner ensemble dans un récipient et remuer jusqu’à ce que le toner soit complètement dissous. Ajoutez ensuite le kérosène et mélangez bien.</li>
	<li>Transférer le mélange dans un vaporisateur pour une application facile sur la surface de la section d’essai.</li>
</ol>3. Mesures de visualisation du débit d’huile
<ol><li>Nettoyer et sécher la surface de la section d’essai avant chaque application du mélange d’huile.</li>
	<li>Utilisez le vaporisateur rempli du mélange d’huile pour pulvériser une fine couche uniforme de liquide sur la section d’intérêt. Une couche mince et uniforme de mélange d’huile est importante pour produire des images de visualisation de film d’huile appropriées.</li>
	<li>Lancez l’acquisition de l’image ou de la vidéo sur la caméra. Commencez l’acquisition de la caméra avant que la soufflerie ne soit mise sous tension afin de capturer le mouvement de mélange d’huile transitoire initial.</li>
	<li>Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée. Le mélange d’huile commencera à s’écouler le long de la surface de la section d’essai.</li>
	<li>Une fois que le mélange d’huile cesse de s’écouler et a atteint un état stable(c’est-à-dire que les motifs sont stationnaires), ou lorsque le temps souhaité s’est écoulé, arrêtez l’enregistrement de la caméra et mettez la soufflerie sous tension. Remarque : La vidéo 1 montre le mélange d’huile qui s’écoule jusqu’à ce qu’un état d’équilibre soit atteint et que le motif de frottement de la peau devienne stationnaire. Dans la vidéo, le flux se déplace de gauche à droite.</li>
</ol>4. Préparation de la mesure de la pression de surface
<ol><li>Préparer la surface du plancher de la section d’essai (plaque amovible) en perçant des trous pour le montage de tubulations en acier inoxydable (diamètre extérieur de 0,16 cm et 2,54 cm de long) dans le plancher de la section d’essai pour construire des prises de pression statiques. En commençant par la ligne médiane de la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate, percer les trous sur une grille qui s’étend sur 8,89 cm dans le sens de l’envergure et 22,86 cm en aval avec un espacement de grille de 1,27 cm dans le sens de l’envergure et un espacement de grille de 2,54 cm en aval (voir la figure 1). Les tubulations en acier inoxydable ont un renflement à une extrémité pour fixer des tubes flexibles et sont droites à l’autre extrémité pour le montage. Remarque: Les prises de pression statiques peuvent être positionnées à des intervalles plus rapprochés pour une grille plus fine d’emplacements d’acquisition de pression.</li>
	<li>Monter les tubulations entourant la position d’ancrage de l’hémisphéroïde prolate mural(c.-à-d. polype de pli vocal modèle) dans la configuration souhaitée sur le plancher de la section d’essai pour se préparer à l’essai. Les tubulations doivent être montées au ras du plancher de la section d’essai.</li>
	<li>Fixer des morceaux de tubes flexibles courts (longueur de 6,35 cm, diamètre intérieur de 0,159 cm, diamètre extérieur de 0,475 cm de tube de chlorure de polyvinyle transparent) des tubes montés en acier inoxydable aux orifices de mesure du transducteur de pression de balayage. Le transducteur de pression de balayage dispose de seize orifices de pression.</li>
</ol>5. Acquisition de la mesure de la pression de surface
<ol><li>Connectez le transducteur de pression de balayage à un ordinateur et configurez les paramètres d’acquisition à l’aide du logiciel de transducteur de pression de balayage. Définissez le logiciel d’acquisition pour acquérir des données à 500 Hz pendant la durée souhaitée de l’acquisition de données. Note : Les données ont été acquises à la fréquence d’échantillonnage maximale du transducteur de pression de balayage, soit 500 Hz, en raison des faibles variations de pression aux basses fréquences d’oscillation.</li>
	<li>Réglez la soufflerie d’aspiration à la vitesse souhaitée.</li>
	<li>Commencez l’acquisition de la mesure de la pression. Les mesures de pression peuvent être acquises simultanément avec n’importe quelle technique de diagnostic de débit souhaitée(par exemple PIV, anémométrie Doppler laser, anamométrie à fil chaud, etc.)</li>
</ol>

<ol>
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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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Comprendre la formation et la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique et leur effet suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour fournir la perspicacité et les modèles afin d’avancer le traitement des polypes et des nodules vocaux de pli. Les variations des charges aérodynamiques causées par le polype modèle dans cette expérience devraient contribuer à la dynamique irrégulière des plis vocaux observée chez les patients a...

Les plis vocaux sont deux bandes de tissu qui s’étendent à travers les voies respiratoires vocales. La parole vocale est produite lorsqu’une pression pulmonaire critique est atteinte, forçant l’air à travers des plis vocaux adductés. Les plis vocaux sont composés de nombreuses couches de tissu et sont souvent représentés par un système simplifié de couverture corporelle à deux couches1. La matrice extracellulaire, qui constitue la majorité de la couche de couverture, est composée de fibres de collagène et d’élastine, fournissant des caractéristiques de contrainte-déformation non linéaires, qui sont importantes pour le bon mouvement des plis vocaux1,2. Les forces aérodynamiques transmettent de l’énergie au tissu des plis vocaux et excitent des oscillations auto-entretenues3. Au fur et à mesure que les plis vocaux oscillent, l’ouverture entre eux, appelée glotte, forme un orifice variant temporellement qui passe d’un passage convergent à un uniforme, puis à un passage divergent avant de fermer et de répéter le cycle4,6. Les fréquences de vibration pour la parole normale couvrent généralement 100-220 Hz chez les mâles et les femelles respectivement, créant un champ d’écoulement pulsatile qui passe à travers la glotte7. Le procédé d’échange d’énergie de structure fluide pour la parole normale a été largement étudié8-12; cependant, la perturbation de ce processus pour certaines pathologies n’est pas bien comprise. Les conditions pathologiques des plis vocaux peuvent entraîner des changements spectaculaires dans leur dynamique et affecter la capacité de générer la parole voisée.
Les polypes et les nodules sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux. Ces anomalies peuvent affecter la capacité d’un patient à communiquer13. Néanmoins, ce n’est que récemment que la perturbation du champ d’écoulement due à une protubérance géométrique telle qu’un polype a été considérée comme14. Cette étude a prouvé que le processus « normal » d’énergie-échange de fluide-structure de la parole a été radicalement changé, et que la modification du champ d’écoulement était la raison la plus probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes et des nodules. Aucune compréhension complète des structures d’écoulement produites par la séparation tridimensionnelle d’écoulement d’un polype dans l’écoulement pulsatile n’a été établie. La génération et la propagation des structures vortical d’un polype, et leur impact suivant sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal est un composant critique nécessaire pour faire avancer la correction chirurgicale des polypes dans les patients.
Tandis que la séparation d’écoulement d’un hemispheroid mural dans l’écoulement régulier a été étudiée15-23,étonnamment, il y a peu d’informations concernant la séparation instable d’écoulement tridimensionnel d’un hemispheroid sur un mur soumis aux conditions d’écoulement pulsatile ou instables comme on le trouve dans la parole. Les travaux fondateurs d’Acarlar et Smith15 ont fourni une analyse des structures cohérentes tridimensionnelles générées par un écoulement constant sur un hémisphéroïde mural dans une couche limite laminaire. Acarlar et Smith ont identifié deux types de structures vortical. Un vortex debout en fer à cheval s’est formé en amont de la protubérance hémisphéroïde et s’est prolongé en aval de la protubérance de chaque côté. En outre, des tourbillons en épingle à cheveux ont été jetés périodiquement de l’hémisphéroïde mural dans le sillage. Le mouvement complexe et la progression des tourbillons d’épingle à cheveux ont été étudiés et décrits en détail.
L’écoulement sur une colline axisymétrique à contour lisse a été précédemment étudié dans lequel les mesures de pression statique de surface et la visualisation de l’huile de surface ont été acquises sur et en aval de la bosse dans un flux de cisaillement turbulent. Les techniques de film d’huile permettent la visualisation des lignes de frottement de la peau, des régions à grande et basse vitesse, et des points de séparation et de fixation dans un flux de surface, et sont utiles pour étudier le sillage d’un objet mural. Pour cette technique, la surface d’intérêt est recouverte d’un film mince d’un mélange de pigment à base d’huile et de poudre fine(c’est-à-dire lampblack, poudre de graphite ou dioxyde de titane). Dans les conditions d’écoulement souhaitées, les forces de frottement provoquent le déplacement de l’huile le long de la surface, ce qui provoque le dépôt de la poudre pigmentaire dans les stries. Les points critiques ou de singularité, les endroits où la contrainte de cisaillement est nulle ou deux ou plusieurs composantes de la vitesse moyenne sont nulles, peuvent être classés à partir du motif de ligne de frottement de la peau résultant en tant que points de selle ou points nodaux24-26.
Pour la géométrie de la colline, aucune singularité causée par la séparation n’a été trouvée en amont; ceci a été attribué à la découpe doucement ascendante de la bosse, qui n’a pas généré le gradient de pression défavorable qui se produit avec une protubérance hémisphéroïde. Par conséquent, il a été constaté que l’écoulement s’accélérait jusqu’au sommet de la bosse, après quoi, des points de séparation instables de mise au point de la selle se sont développés peu de temps après l’axe de la bosse, comme on pouvait s’y attendre de la formation d’un vortex en épingle à cheveux27,28. Dans une étude utilisant des techniques expérimentales similaires avec une géométrie murale différente, la visualisation du film d’huile autour d’un cube monté en surface en flux constant effectuée par Martinuzzi et Tropea29 a montré deux lignes de frottement de peau claires en amont de l’objet. La première ligne de frottement de peau correspondait à la ligne de séparation primaire causée par le gradient de pression défavorable et la ligne de frottement de la deuxième peau a marqué l’emplacement moyenné dans le temps du vortex de fer à cheval. Les mesures de pression de surface effectuées en amont de l’objet ont montré un minimum local le long de la ligne de vortex en fer à cheval et une pression maximale locale entre les lignes de séparation primaire et de vortex en fer à cheval. Des lignes de séparation en amont similaires sont formées avec d’autres géométries montées en surface, y compris un cylindre circulaire, une pyramide et un cône29-31. La visualisation de surface en aval d’objets muraux affiche typiquement deux foyers causés par la région de recirculation derrière l’objet30. Deux tourbillons sont générés aux positions des foyers et correspondent au « type arc » ou vortex en épingle à cheveux vu dans le sillage d’un hémisphéroïde mural32.
La vélocimétrie d’image de particules (PIV) a déjà été utilisée pour étudier le flux en aval des modèles de pli vocal synthétique33-35. PIV est une technique de visualisation non invasive qui image le mouvement des particules traceurs de flux dans un plan pour capturer la dynamique des fluides spatio-temporelle36. Les structures cohérentes tridimensionnelles qui forment en aval des plis vocaux oscillants ont été étudiées par Neubauer et al. 37; On a observé la génération et la convection de vortex et le battement de jet. Récemment, Krebs et al. 38 a étudié la tridimensionnalité du jet glottal à l’aide de PIV stéréoscopique et les résultats démontrent la commutation de l’axe du jet glottal. Erath et Plesniak14 ont étudié l’effet d’un polype de pli vocal modèle sur la surface médiale d’un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois. Une région de recirculation a été formée en aval du polype et la dynamique de jet ont été affectées dans tout le cycle phonatoire. Les études précédentes, à l’exception de l’étude de polype de pli vocal conduit par Erath et Plesniak14, n’ont pas exploré la dynamique fluide induite par un polype ou un nodule médial de pli vocal.
Il est important de comprendre l’effet dynamique fluide du polype modèle dans les champs d’écoulement stables et pulsatiles avant d’inclure la complexité supplémentaire des parois mobiles du pli vocal, les gradients de pression induits, le volume géométrique confiné et d’autres subtilités. Les travaux actuels se concentrent sur la signature des structures d’écoulement sur la paroi en aval dans des conditions d’écoulement stables et instables. Les interactions entre les structures vortical qui sont jetées d’une saillie et la paroi en aval est d’un grand intérêt pour l’étude des polypes de pli vocal aussi bien que d’autres considérations biologiques, car ces interactions obtiennent une réponse biologique.

<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

Le processus d’échange d’énergie de fluide-structure pour la parole normale a été étudié intensivement, mais il n’est pas bien compris pour des conditions pathologiques. Les polypes et les nodules, qui sont des anomalies géométriques qui se forment sur la surface médiale des plis vocaux, peuvent perturber la dynamique des plis vocaux et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur la capacité d’un patient à communiquer. Notre laboratoire a rapporté des mesures de velocimetry d’image de particule (PIV), dans une enquête sur un polype modèle situé sur la surface médiale d’un modèle in vitro conduit de pli vocal, qui montrent qu’une telle anomalie géométrique perturbe considérablement le comportement de jet glottal. Cet ajustement de champ d’écoulement est une raison probable pour la dégradation grave de la qualité vocale dans les patients présentant des polypes. Une compréhension plus complète de la formation et de la propagation des structures vortical d’une protubérance géométrique, telle qu’un polype de pli vocal, et de l’influence résultante sur les charges aérodynamiques qui conduisent la dynamique de pli vocal, est nécessaire pour faire avancer le traitement de cet état pathologique. La présente recherche concerne la séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un hemispheroid prolate mur-monté avec un rapport d’aspect de 2:1 dans l’écoulement croisé, c.-à-d. un polype de pli vocal modèle, utilisant une technique de visualisation d’huile-film. La séparation d’écoulement tridimensionnelle instable et son impact de la charge de pression de la paroi sont examinés à l’aide de la visualisation de la ligne de friction de la peau et des mesures de la pression de la paroi.

Des travaux antérieurs utilisant un modèle de pli vocal dynamiquement mis à l’échelle 7,5 fois ont démontré que la présence d’une protubérance géométrique, le polype de pli vocal modèle, perturbe la dynamique normale du jet glottal tout au long du cycle phonatoire. Les résultats représentatifs de l’étude précédente du modèle de pli vocal sont présentés à la figure 2 et à la vidéo 2. La vidéo montre le mouvement des plis vocaux entraînés alors qu’ils passe...

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

Les polypes vocaux de pli peuvent perturber la dynamique de pli vocal et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur un patient' capacité de s de communiquer. La séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un polype de modèle mural et son impact sur la charge de pression de mur sont examinés utilisant la velocimetry d’image de particule, la visualisation de ligne de friction de peau, et les mesures de pression de mur.

Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle

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 vues.  The George Washington University. Les polypes vocaux de pli peuvent perturber la dynamique de pli vocal et peuvent ainsi avoir des conséquences dévastatrices sur un patient' capacité de s de communiquer. La séparation tridimensionnelle d’écoulement induite par un polype de modèle mural et son impact sur la charge de pression de mur sont examinés utilisant la velocimetry d’image de particule, la visualisation de ligne de friction de peau, et les mesures de pression de mur.

Vidéo: 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.

La peau Three-Dimensional Human Reconstruire Modèle: un outil pour étudier la peau normale et la progression du mélanome

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

Recherche

Bio-ingénierie

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.

Impression Planar et en trois dimensions des encres conductrices

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.

Synthétique, Multi-Layer, auto-oscillation de fabrication Vocal Modèle Fold

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.

Tridimensionnelle modèle de culture cellulaire pour mesurer les effets de l&#39;écoulement des fluides interstitiels sur l&#39;invasion tumorale

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 tridimensionnelle chambre d&#39;écoulement périphérique pour étudier chimiokine dirigée extravasation des cellules circulantes des conditions d&#39;écoulement physiologiques

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.

Fabrication de tissus de cartilage humain en utilisant trois dimensions jet d&#39;encre Technologie d&#39;impression

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.

Construction et caractérisation d&#39;un pli bioréacteur roman Vocal

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 de la migration cellulaire dans un tridimensionnelle Matrice Collagène

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.

Génération d&#39;une épaisseur en trois dimensions équivalent de peau et automatisé Blessant

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.

Etudier la fonction des protéines et le rôle de Altered Expression des protéines par les interférences des anticorps et des reconstructions tridimensionnelles

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