Questo lavoro è sostenuto dalla National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 e GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

In questo lavoro, un emisferoide prolato montato a parete, cioè un polipo a piega vocale modello, è posizionato sul pavimento della sezione di prova di una galleria del vento di tipo aspirazione con un rapporto di contrazione 5:1. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo effetto sul carico di pressione della parete vengono studiati utilizzando la visualizzazione del flusso dell'olio, le misurazioni della pressione delle pareti e la velocimetria delle immagini delle particelle. Le misurazioni della pressione instabili vengono acquisite utilizzando un trasduttore di pressione a scansione a sedici canali con sensori di pressione piezoresitivi. I sensori di pressione hanno una risposta in frequenza di 670 Hz. I rubinetti a pressione statica formati da tubulazioni in acciaio inossidabile sono montati a filo a monte e a valle del modello di polipo di piega vocale per facilitare le misurazioni della pressione superficiale e a corto di piombo al dispositivo di pressione di scansione. La visualizzazione del flusso dell'olio e le misurazioni della pressione superficiale non possono essere acquisite contemporaneamente perché l'olio fluirebbe nei rubinetti di pressione causando incrostazioni.
La sezione seguente fornisce il protocollo per la configurazione e l'acquisizione della visualizzazione della pellicola oleosa e delle misurazioni della pressione superficiale attorno a un emispheroide prolato montato a parete. Sebbene siano state acquisite misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle mediate in fase e a tempo, l'acquisizione del PIV non è inclusa in questo protocollo. Gli autori suggeriscono i riferimenti di Raffel et al. 36 e Adrian e Westerweel39 per una comprensione approfondita della configurazione sperimentale PIV, dell'acquisizione dei dati e dell'elaborazione dei dati.
1. Genera protuberanza(ad esempio polipo modello)
<ol><li>Creare un modello CAD (Computer-Aided Design) tridimensionale con la geometria desiderata. Genera il polipo di piega vocale del modello come emisferoide prolato lungo 5,08 cm, largo 2,54 cm e alto 1,27 cm. Montare una base quadrata di 2,54 cm che ha uno spessore di 0,64 cm sul fondo del polipo di piega vocale del modello. Questa base verrà utilizzata per ancorare il modello al pavimento della sezione di prova.</li>
	<li>Esportare il modello CAD 3D come file di stereolitografia (STL). Il formato di file STL genera la superficie del modello come una serie di triangoli. Scegliete una risoluzione adeguata per garantire una superficie liscia sul polipo del modello. Si consiglia una risoluzione di almeno 600 punti/in.</li>
	<li>Caricare il file STL nel software appropriato e stampare il file STL utilizzando una stampante tridimensionale ad alta risoluzione o un prototipatore rapido con una risoluzione del livello di costruzione di almeno 20 μm.</li>
	<li>La sezione di prova della galleria del vento è di circa 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm con una piastra inferiore rimovibile, come mostrato nella figura 1. Fresare un foro quadrato di 2,54 cm profondo circa 0,85 cm nella piastra rimovibile del pavimento della sezione di prova della galleria del vento per montare il polipo di piega vocale del modello per il test. Il foro deve essere posizionato al centro della larghezza della sezione di prova ed essere posizionato nella posizione a valle desiderata per il test.</li>
</ol>2. Preparazione della visualizzazione del flusso d'olio
<ol><li>Per preparare la sezione di prova, coprire la superficie della sezione di prova all'interno della galleria del vento con carta adesiva bianca. Posizionare e levigare con cura la carta adesiva per assicurarsi che il pavimento della sezione di prova non abbia urti dovuti a bolle d'aria o pieghe nella carta adesiva. Tagliare un foro nella carta adesiva sopra il foro quadrato nel pavimento della sezione di prova per l'ancora del polipo del modello da attaccare alla parete della sezione di prova.</li>
	<li>Inserire la protuberanza (polipo di piega vocale del modello) nella posizione di ancoraggio per prepararsi al test. Cfr. figura 1.</li>
	<li>Montare una telecamera ad alta risoluzione sopra la sezione di prova della galleria del vento. Mettere a fuoco la fotocamera per il campo visivo scelto, incluso il polipo del modello e l'area della sezione di test circostante. Impostare i parametri di acquisizione della fotocamera per il test. Un'impostazione video deve essere utilizzata per catturare la parte transitoria della visualizzazione del flusso di olio o se i flussi instabilmente o pulsatili sono di interesse.</li>
	<li>Preparare la miscela di olio di visualizzazione del flusso combinando olio per bambini, polvere di toner copia e cherosene in un rapporto 7:1:2 in volume. Ad esempio: unire 35 ml di olio per bambini, 5 ml di polvere di toner copia e 10 ml di cherosene. Mescolare l'olio per bambini e la polvere di toner insieme in un contenitore e mescolare fino a quando il toner non è completamente sciolto. Quindi aggiungere il cherosene e mescolare bene.</li>
	<li>Trasferire la miscela in un flacone spray per una facile applicazione sulla superficie della sezione di prova.</li>
</ol>3. Misurazioni della visualizzazione del flusso di olio
<ol><li>Pulire e asciugare la superficie della sezione di prova prima di ogni applicazione della miscela di olio.</li>
	<li>Utilizzare il flacone spray riempito con la miscela di olio per spruzzare uno strato sottile e uniforme di fluido sulla sezione di interesse. Uno strato sottile e uniforme di miscela di olio è importante per produrre immagini di visualizzazione corrette della pellicola oleosa.</li>
	<li>Avviare l'acquisizione dell'immagine o del video sulla fotocamera. Iniziare l'acquisizione della telecamera prima che la galleria del vento sia acceso per catturare il movimento iniziale della miscela di olio transitorio.</li>
	<li>Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata. La miscela di olio inizierà a fluire lungo la superficie della sezione di prova.</li>
	<li>Una volta che la miscela di olio smette di fluire e ha raggiuntouno stato stazionario (cioè i modelli sono stazionari), o quando è trascorso il tempo desiderato, interrompere la registrazione della telecamera e alimentare la galleria del vento. Nota: il video 1 mostra la miscela di olio che scorre fino a raggiungere uno stato stazionario e il modello di attrito cutaneo diventa stazionario. Nel video il flusso si sposta da sinistra a destra.</li>
</ol>4. Preparazione della misurazione della pressione superficiale
<ol><li>Preparare la superficie del pavimento della sezione di prova (piastra rimovibile) forando i fori per il montaggio di tubulazioni in acciaio inossidabile (diametro esterno di 0,16 cm e 2,54 cm di lunghezza) nel pavimento della sezione di prova per costruire rubinetti a pressione statica. Partendo dalla linea mediana della posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato, praticare i fori su una griglia che si estende per 8,89 cm nella direzione campata e 22,86 cm a valle con una spaziatura della griglia campentata di 1,27 cm e una spaziatura della griglia a valle di 2,54 cm (vedere figura 1). Le tubulazioni in acciaio inossidabile hanno un rigonfiamento su un'estremità per il fissaggio di tubi flessibili e sono dritte sull'altra estremità per il montaggio. Nota: i rubinetti a pressione statica possono essere posizionati a intervalli più ravvicinati per una griglia più fine di posizioni di acquisizione della pressione.</li>
	<li>Montare le tubulazioni che circondano la posizione di ancoraggio dell'emisferoide prolato montato a parete(cioè il polipo di piega vocale del modello) nella configurazione desiderata sul pavimento della sezione di prova per prepararsi per il test. Le tubulazioni devono essere montate a filo con il pavimento della sezione di prova.</li>
	<li>Attaccare pezzi di tubi flessibili corti (lunghezza 6,35 cm, diametro interno di 0,159 cm, tubi di cloruro di polivinile chiaro di diametro esterno di 0,475 cm) dalle tubulazioni montate in acciaio inossidabile alle porte di misurazione del trasduttore a pressione di scansione. Il trasduttore a pressione di scansione ha sedici porte di pressione.</li>
</ol>5. Acquisizione della misurazione della pressione superficiale
<ol><li>Collegare il trasduttore di pressione di scansione a un computer e configurare i parametri di acquisizione utilizzando il software di trasduttore di pressione di scansione. Impostare il software di acquisizione per acquisire dati a 500 Hz per la durata desiderata dell'acquisizione dei dati. Nota: I dati sono stati acquisiti alla velocità massima di campionamento del trasduttore di pressione di scansione, 500 Hz, a causa delle piccole variazioni di pressione a basse frequenze di oscillazione.</li>
	<li>Impostare la galleria del vento di aspirazione sulla velocità desiderata.</li>
	<li>Inizia l'acquisizione della misurazione della pressione. Le misurazioni della pressione possono essere acquisite simultaneamente con qualsiasi tecnica diagnostica del flusso desiderata(ad esempio PIV, anemometria laser Doppler, anamometria a filo caldo, ecc.)</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. 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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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Comprendere la formazione e la propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica e il loro successivo effetto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessario per fornire informazioni e modelli al fine di far avanzare il trattamento di polipi e noduli di piega vocale. Le variazioni nei carichi aerodinamici causate dal polipo modello in questo esperimento dovrebbero contribuire alla dinamica irregolare della piega vocale osservata nei pazienti con polipi13,41...

Le pieghe vocali sono due bande di tessuto che si estendono attraverso le vie aeree vocali. Il linguaggio sonoro viene prodotto quando si ottiene una pressione polmonare critica, forzando l'aria attraverso pieghe vocali addotte. Le pieghe vocali sono composte da molti strati di tessuto e sono spesso rappresentate da un sistema semplificato di copertura corporea a due strati1. La matrice extracellulare, che costituisce la maggior parte dello strato di copertura, è composta da fibre di collagene ed elastina, fornendo caratteristiche di stress-deformazione non lineari, che sono importanti per il corretto movimento delle pieghe vocali1,2. Le forze aerodinamiche conferiscono energia al tessuto delle pieghe vocali ed eccitano oscillazioni autosostenute3. Quando le pieghe vocali oscillano, l'apertura tra di esse, indicata come glottide, forma un orifizio che varia temporaneamente che passa da un convergente a un uniforme e quindi a un passaggio divergente prima di chiudere e ripetere ilciclo 4,6. Le frequenze di vibrazione per il linguaggio normale in genere si estendono rispettivamente a 100-220 Hz nei maschi e nelle femmine, creando un campo di flusso pulsatile che passa attraverso la glottide7. Il processo di scambio energetico a struttura fluida per il linguaggio normale è stato ampiamentestudiato 8-12; tuttavia, l'interruzione di questo processo per alcune patologie non è ben compresa. Le condizioni patologiche delle pieghe vocali possono portare a cambiamenti drammatici nelle loro dinamiche e influenzare la capacità di generare la parola sonora.
Polipi e noduli sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali. Queste anomalie possono influire sulla capacità di comunicazione di un paziente13. Tuttavia, solo di recente l'interruzione del campo di flusso a causa di una protuberanza geometrica come un polipo è stataconsiderata 14. Lo studio ha dimostrato che il "normale" processo di scambio energetico della struttura del fluido del linguaggio è stato drasticamente alterato e che la modifica del campo di flusso era la ragione più probabile della grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi e noduli. Non è stata stabilita alcuna comprensione completa delle strutture di flusso prodotte dalla separazione tridimensionale del flusso da un polipo nel flusso pulsatile. La generazione e la propagazione di strutture vortiche da un polipo, e il loro successivo impatto sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale è una componente critica necessaria per far progredire la correzione chirurgica dei polipi nei pazienti.
Mentre la separazione del flusso da un emisferoide montato a parete in flusso costante è statastudiata 15-23, sorprendentemente, ci sono poche informazioni riguardanti la separazione del flusso tridimensionale instabile da un emisferoide su una parete soggetta a condizioni di flusso pulsatili o instabili come si trovano nel discorso. Il lavoro seminale di Acarlar e Smith15 fornì un'analisi delle strutture coerenti tridimensionali generate dal flusso costante su un emisferoide montato a parete all'interno di uno strato limite laminare. Acarlar e Smith identificare due tipi di strutture vorticali. Un vortice a ferro di cavallo in piedi fu formato a monte della protuberanza emisferica e si estese a valle della protuberanza su entrambi i lati. Inoltre, i vortici di forcine venivano periodicamente gettati dall'emisferoide montato a parete sulla scia. Il complesso movimento e la progressione dei vortici a tornanti sono stati studiati e descritti in dettaglio.
Il flusso su una collina assimmetrica sagomata senza intoppi è stato precedentemente studiato in cui sia le misurazioni della pressione statica superficiale che la visualizzazione dell'olio superficiale sono state acquisite su e a valle dell'urto all'interno di un flusso di taglio turbolento. Le tecniche oil-film consentono la visualizzazione delle linee di attrito cutaneo, delle regioni ad alta e bassa velocità e dei punti di separazione e attacco all'interno di un flusso superficiale e sono utili per indagare la scia di un oggetto montato a parete. Per questa tecnica, la superficie di interesse è rivestita con un sottile film di una miscela di based'olio e pigmento di polvere fine (ad esempio lampblack, polvere di grafite o biossido di titanio). Alle condizioni di flusso desiderate, le forze di attrito fanno sì che l'olio si muova lungo la superficie causando il deposito della polvere di pigmento in striature. I punti critici o singolari, luoghi in cui la sollecitazione di taglio è zero o due o più componenti della velocità media sono zero, possono essere classificati dal modello di linea di attrito cutaneo risultante come punti di sella o puntinodali 24-26.
Per la geometria della collina, nessuna singolarità causata dalla separazione è stata trovata a monte; questo è stato attribuito al contorno uniformemente crescente dell'urto, che non ha generato il gradiente di pressione avverso che si verifica con una protuberanza emisferica. Di conseguenza, il flusso è stato trovato per accelerare fino all'apice dell'urto dopo di che, i punti di separazione sella-messa a fuoco instazzati si sono sviluppati poco dopo l'altura dell'urto, come ci si aspetterebbe dalla formazione di un vortice diforcine 27,28. In uno studio che utilizza tecniche sperimentali simili con una diversa geometria montata a parete, la visualizzazione della pellicola ad olio attorno a un cubo montato sulla superficie in flusso costante eseguito da Martinuzzi e Tropea29 mostrava due linee chiare di attrito della pelle a monte dell'oggetto. La prima linea di attrito cutaneo corrispondeva alla linea di separazione primaria causata dal gradiente di pressione avverso e la seconda linea di attrito cutaneo segnava la posizione media nel tempo del vortice a ferro di cavallo. Le misurazioni della pressione superficiale eseguite a monte dell'oggetto hanno mostrato un minimo locale lungo la linea del vortice a ferro di cavallo e una pressione locale massima tra la separazione primaria e le linee del vortice a ferro di cavallo. Simili linee di separazione a monte si formano con altre geometrie montate sulla superficie tra cui un cilindro circolare, una piramide e un cono29-31. La visualizzazione della superficie a valle degli oggetti montati a parete in genere visualizza due fuochi causati dalla regione di ricircolo dietro l'oggetto30. Due vortici sono generati nelle posizioni dei fuochi e corrispondono al vortice "ad arco" o a forno visto sulla scia di un emisferoide montato a parete32.
La velocimetria delle immagini di particelle (PIV) è stata precedentemente utilizzata per studiare il flusso a valle dei modelli di piega vocalesintetica 33-35. PIV è una tecnica di visualizzazione non invasiva in cui le immagini scorrono il movimento delle particelle traccianti all'interno di un piano per catturare la fluidodinamica spazio-temporale36. Strutture coerenti tridimensionali che si formano a valle delle pieghe vocali oscillanti sono state studiate da Neubauer et al. 37 ; generazione di vortici e convezione e sbattere a getto. Recentemente, Krebs et al. 38 ha studiato la tridimensionalità del getto ggonale utilizzando PIV stereoscopico e i risultati dimostrano la commutazione dell'asse del getto ggonale. Erath e Plesniak14 hanno studiato l'effetto di un modello di polipo piega vocale sulla superficie mediale di un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte. Una regione di ricircolo si è formata a valle del polipo e la dinamica del getto è stata influenzata durante tutto il ciclo fonolatorio. Gli studi precedenti, a meno dello studio guidato del polipo a piega vocale di Erath e Plesniak14,non hanno esplorato la fluidodinamica indotta da un polipo o nodulo mediale di piega vocale.
È importante comprendere l'effetto fluidodinamico del polipo modello all'interno di campi di flusso stazionari e pulsatili prima di includere l'ulteriore complessità delle pareti mobili della piega vocale, i gradienti di pressione indotti, il volume geometrico confinato e altre complessità. Il lavoro attuale si concentra sulla firma delle strutture di flusso sulla parete a valle in condizioni di flusso sia stazionarie che instanzate. Le interazioni tra le strutture vortiche che vengono liberate da una sporgenza e la parete a valle sono di grande interesse per l'indagine dei polipi di piega vocale e altre considerazioni biologiche, poiché queste interazioni suscitano una risposta biologica.

<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

Il processo di scambio energetico della struttura dei fluidi per il linguaggio normale è stato studiato ampiamente, ma non è ben compreso per le condizioni patologiche. Polipi e noduli, che sono anomalie geometriche che si formano sulla superficie mediale delle pieghe vocali, possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. Il nostro laboratorio ha riportato misurazioni della velocimetria delle immagini delle particelle (PIV), nell'ambito di un'indagine su un polipo modello situato sulla superficie mediale di un modello di piega vocale guidato in vitro, che mostrano che una tale anomalia geometrica interrompe notevolmente il comportamento del getto gngolato. Questa regolazione del campo di flusso è una probabile ragione per la grave degradazione della qualità vocale nei pazienti con polipi. Una comprensione più completa della formazione e della propagazione delle strutture vortiche da una protuberanza geometrica, come un polipo di piega vocale, e la conseguente influenza sui carichi aerodinamici che guidano la dinamica della piega vocale, è necessaria per far avanzare il trattamento di questa condizione patologica. La presente indagine riguarda la separazione tridimensionale del flusso indotta da un emisferoide prolato montato a parete con un rapporto di aspetto 2:1 nel flusso incrociato, cioè un modello di polipo di piega vocale, utilizzando una tecnica di visualizzazione a film d'olio. La separazione del flusso tridimensionale instabile e il suo impatto del carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la visualizzazione della linea di attrito cutaneo e le misurazioni della pressione della parete.

Lavori precedenti che utilizzavano un modello di piega vocale scalato dinamicamente 7,5 volte ha dimostrato che la presenza di una protuberanza geometrica, modella il polipo di piega vocale, interrompe la normale dinamica del getto gngolato durante tutto il ciclo fonatore. I risultati rappresentativi dello studio del modello di piega vocale guidato in seguito sono visualizzati nella figura 2 e nel video 2. Il video mostra il movimento delle pieghe vocali guidate mentre cambiano da una ge...

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

I polipi di piega vocale possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. La separazione tridimensionale del flusso indotta da un polipo modello montato a parete e il suo impatto sul carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle, la visualizzazione della linea di attrito della pelle e le misurazioni della pressione della parete.

Investigare la separazione tridimensionale del flusso indotta da un modello di polipo piega vocale

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 Views.  The George Washington University. I polipi di piega vocale possono interrompere la dinamica della piega vocale e quindi possono avere conseguenze devastanti sulla capacità di comunicazione di un paziente. La separazione tridimensionale del flusso indotta da un polipo modello montato a parete e il suo impatto sul carico della pressione della parete vengono esaminati utilizzando la velocimetria dell'immagine delle particelle, la visualizzazione della linea di attrito della pelle e le misurazioni della pres...

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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.

Tridimensionale pelle umana Ricostruire Modello: uno strumento per studiare la pelle normale e progressione Melanoma

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Stampa planare e tridimensionale di inchiostri conduttivi

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.

Sintetico, Multi-Layer, Auto-oscillante Fabrication Vocal modello 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.

Tridimensionale Cultura modello cellulare per misurare gli effetti del flusso del fluido interstiziale sulla Invasion cellule tumorali

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 tridimensionale del flusso Camera dispositivo per studiare Chemokine-diretto stravaso di cellule circolanti in condizioni di flusso fisiologici

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.

Umana Cartilagine Tessuto Fabrication Uso tridimensionale Tecnologia Inkjet Printing

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.

Costruzione e caratterizzazione di un Fold bioreattore Novel 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.

Analisi della migrazione delle cellule all&#39;interno di una tridimensionale di collagene Matrix

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.

Generazione di una tridimensionale a tutto spessore della pelle Equivalent e Automated Ferimento

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

Development of a Multicellular Three-dimensional Organotypic Model of the Human Intestinal Mucosa Grown Under Microgravity

Because cells growing in a three-dimensional (3-D) environment have the potential to bridge many gaps of cell cultivation in 2-D environments (e.g., flasks or dishes). In fact, it is widely recognized that cells grown in flasks or dishes tend to de-differentiate and lose specialized features of the tissues from which they were derived. Currently, there are mainly two types of 3-D culture systems where the cells are seeded into scaffolds mimicking the native extracellular matrix (ECM): (a) static models and (b) models using bioreactors. The first breakthrough was the static 3-D models. 3-D models using bioreactors such as the rotating-wall-vessel (RWV) bioreactors are a more recent development. The original concept of the RWV bioreactors was developed at NASA&#39;s Johnson Space Center in the early 1990s and is believed to overcome the limitations of static models such as the development of hypoxic, necrotic cores. The RWV bioreactors might circumvent this problem by providing fluid dynamics that allow the efficient diffusion of nutrients and oxygen. These bioreactors consist of a rotator base that serves to support and rotate two different formats of culture vessels that differ by their aeration source type: (1) Slow Turning Lateral Vessels (STLVs) with a co-axial oxygenator in the center, or (2) High Aspect Ratio Vessels (HARVs) with oxygenation via a flat, silicone rubber gas transfer membrane. These vessels allow efficient gas transfer while avoiding bubble formation and consequent turbulence. These conditions result in laminar flow and minimal shear force that models reduced gravity (microgravity) inside the culture vessel. Here we describe the development of a multicellular 3-D organotypic model of the human intestinal mucosa composed of an intestinal epithelial cell line and primary human lymphocytes, endothelial cells and fibroblasts cultured under microgravity provided by the RWV bioreactor.

Cells growing in a three-dimensional (3-D) environment represent a marked improvement over cell cultivation in 2-D environments (e.g., flasks or dishes). Here we describe the development of a multicellular 3-D organotypic model of the human intestinal mucosa cultured under microgravity provided by rotating-wall-vessel (RWV) bioreactors.

Sviluppo di un multicellulare tridimensionale Organotipica Modello della mucosa intestinale umana coltivate in microgravità

Because cells growing in a three-dimensional (3-D) environment have the potential to bridge many gaps of cell cultivation in 2-D environments (e.g., ...