Design of self-oscillating biomimetic vocal folds : materials, mechanics and vibrations
Conception de plis vocaux biomimétiques auto-oscillants : matériaux, mécanique et vibration
Résumé
Voice disorders can highly disrupt the personal, social and professional life of patients. The restoration of their phonatory abilities thanks to biomaterials able to mimic the vocal-fold vibrations still remains a challenge. An in-depth understanding of the link between the histo-mechanical properties of the vocal folds and their vibratory performances is required before any transfer to medical level. In vitro simulators of the phonatory system have been developed for decades. Yet, most of them are made of materials with structural and mechanical properties still far from those of the native tissues. Thus, this thesis proposes to design new in vitro self-oscillating biomimetic vocal folds with tailored structural and mechanical properties, and study the impact of material properties on the fluid/structure/acoustics interactions driving phonation. To this end, three complementary families of materials were studied: gelatin-based hydrogels cross-linked with glutaraldehyde, biocompatible polyethylene glycol-based hydrogels and silicone elastomers used in voice research. Formulations were optimised to best fit the mechanics of vocal tissues under physiological multiaxial loadings in tension, compression and shear. Fibre-reinforced composites were then produced to mimic the microscale collagen structure of tissues, and their macroscale non-linear and anisotropic behaviour. Finally, the ability of the tailored materials to vibrate under realistic morphological and aerodynamic conditions was tested using a home-made in vitro test-bed. Promising vibratory patterns were obtained for the optimised hydrogel-based replicas, able to self-oscillate with subglottal pressures close to physiological reality. The data have evidenced the link between the material properties and the aeroacoustic performances of several synthetic oscillators, paving the way for future investigation of the impact of the fibrous architecture of vocal tissue on voice quality.
Les troubles de la voix peuvent fortement perturber la vie personnelle, sociale et professionnelle des patients. La restauration de leurs capacités phonatoires grâce à des biomatériaux capables de mimer les vibrations des plis vocaux reste un défi. La compréhension du lien entre les spécificités histo-mécaniques des plis vocaux et leurs performances vibratoires est nécessaire avant toute application biomédicale. Des simulateurs in vitro du système phonatoire ont été développés ces plusieurs décennies. Cependant, la plupart sont constitués de matériaux aux propriétés structurales et mécaniques éloignées de celles des tissus natifs. Ainsi, cette thèse propose de concevoir de nouveaux plis vocaux biomimétiques auto-oscillants aux propriétés structurales et mécaniques contrôlées, et d’étudier l'impact des propriétés matériaux sur les interactions fluide/structure/acoustique conduisant à la phonation. Trois familles de matériaux complémentaires ont été étudiées: des hydrogels à base de gélatine réticulée, des hydrogels biocompatibles à base de polyéthylène glycol et des silicones de référence. Les formulations ont été optimisées pour reproduire au mieux la mécanique des tissus soumis à des chargements multiaxiaux physiologiques en tension, compression et cisaillement. Des composites fibreux ont ensuite été produits pour mimer la microstructure des tissus et leurs propriétés macroscopiques fortement non linéaires et anisotropes. Enfin, la capacité des matériaux à vibrer dans des conditions morphologiques et aérodynamiques réalistes a été testée sur un banc d'essai dédié. Des propriétés vibratoires prometteuses ont été obtenues pour les hydrogels optimisés, capables d'auto-osciller avec des pressions sous-glottiques proches de la réalité physiologique. Les données ont démontré le lien entre les propriétés matériaux et les performances aéroacoustiques de plusieurs oscillateurs synthétiques, ouvrant la voie à de futures études pour mieux comprendre l’impact de l’architecture fibreuse du tissu sur la qualité de la voix.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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