La Massachusetts Eye and Ear, un spital de predare Harvard din Boston, Nicole Black și colegii de clasă i s-a spus să se uite în interiorul urechilor celuilalt folosind un otoscop pentru a-și lumina timpanele. Colegii lui Black au observat că avea țesut cicatricial în canalul urechii, iar instructorii au sugerat cicatrizarea poate fi cauzată de tuburi de urechi care au fost introduse chirurgical în copilărie pentru a trata infecțiile recurente ale urechii.
Deoarece Black era un copil mic la acea vreme, nu-și amintește exact cum a fost propria experiență cu tuburile de urechi, care sunt mici cilindri introduse în timpan pentru a menține urechea corect ventilată și pentru a preveni înfundarea dureroasă. Dar totuși, au lăsat o amprentă de durată și, într-o zi, acest țesut cicatricial ar putea duce la pierderea auzului. În jurul perioadei acestui exercițiu, nepotul lui Black a fost supus unei intervenții chirurgicale cu tubul urechii. De fapt, alți câțiva membri ai echipei au avut și persoane dragi care au fost implantate tuburi. Cu nepotul ei în minte, Negrul a fost motivat să caute o soluție, astfel încât, probabil, în viitor, infectarea urechii la o vârstă fragedă nu va trebui să afecteze o persoană pentru o viață întreagă.
Black, candidat la doctorat în bioinginerie la Universitatea Harvard, lucrase cu chirurgii la Massachusetts Eye și Ear, Aaron Remenschneider și Elliott Kozin, pe alte dispozitive ale urechii medii. După ce au decis să investigheze modalități de îmbunătățire a tuburilor urechii, au făcut echipă cu cercetătorii științifici de materiale de la Harvard pentru a crea PionEar - un mic tub de urechi inspirat biologic, 3D, care reduce cicatricea, precum și nevoia de intervenție chirurgicală repetată.
Negrul și nepotul ei nu sunt anomalii: se estimează că 80% dintre copii vor avea cel puțin o infecție la ureche până la vârsta de trei ani, iar aceste infecții reprezintă cel puțin 25 de milioane de vizite ale medicului pe an. Majoritatea infecțiilor pot fi tratate cu antibiotice, fie pe cale orală, fie prin picături de ureche. Dar antibioticele orale utilizate pentru întreaga gamă de infecții bacteriene pe care le întâlnesc copiii s-au dovedit a avea o serie de efecte secundare, reprezentând aproape 70.000 de vizite în camere de urgență pe an și sunt adesea suprautilizate. Centrele pentru controlul și prevenirea bolilor estimează că 30% din toate antibioticele prescrise în clinici, cabinete de medic și ER-uri sunt inutile. Picăturile de ureche pot fi eficiente, dar pentru cazurile cu complicații sau urechi care sunt în special înfundate, obținerea picăturilor la urechea medie este o provocare. Aproape 700.000 de copii sub vârsta de 15 ani, care sunt predispuși la infecții ale urechilor care se întorc din nou și din nou, sunt tratați în Statele Unite în fiecare an cu tuburi de urechi implantate chirurgical, potrivit Academiei Americane de Otorrinolaringologie - Chirurgie la cap și gât.
Tuburile de urechi devin adesea înfundate (stânga) sau extrudează prea repede (mijloc). Modelele actuale limitează, de asemenea, capacitatea de a trata infecțiile urechii cu picături de ureche (dreapta). (PionEar) Cu toate acestea, tuburile de urechi nu sunt nici o soluție rezistentă. În cele din urmă, scopul lor este de a ventila urechea pentru a reduce durerea, nu pentru a trata efectiv infecția. Istoric, tuburile de urechi au fost create de medici - nu de ingineri sau fizicieni -, probabil, într-un vârf pentru a oferi pacienților lor ușurare. Primul tub de ureche a fost creat în 1845 de oamenii de știință germani Gustav Lincke și Martell Frank și aproximativ o jumătate de duzină de modele au fost introduse până în 1875 folosind diferite materiale, inclusiv aur, argint, aluminiu și cauciuc. În anii '50, Beverly Armstrong a introdus primul tub pe bază de vinil, care este încă baza astăzi. Nu au fost mici schimbări în designul original.
Negrul și echipa au descoperit că atunci când medicii prescriu picături de ureche pacienților cu tuburi de urechi, de multe ori picăturile nu ajung efectiv la urechea medie cu tuburile în niciunul și, în schimb, sfârșesc să se adune la suprafața tubului. Ba mai mult, adesea tuburile cad prea curând, ceea ce trimite copiii înapoi la spital pentru o altă operație, care poate deveni invazivă, scumpă și epuizantă.
„Am descoperit că aproape 40 la sută din tuburile de ureche sfârșesc să eșueze într-un fel sau altul”, spune Black, care urmărește, de asemenea, un minor în vorbirea și biociența de auz și tehnologie. „Deci, acești copii ajung să se întoarcă în sala de operație. Acest lucru se referă mai ales pentru mine, știind că nepotul meu ar putea face față în acest sens. ”
Găsirea unei soluții care accelerează procesul de vindecare și nu prelungirea acestuia este vitală, în special pentru copiii mici care dezvoltă limbajul. Când infecțiile urechii sunt cu adevărat rele și mucusul este acumulat în urechea medie, copiii „aud practic ca sunt sub apă”, spune Black. Dacă nu își aud propria voce sau părinții, acest lucru poate avea un impact imens asupra dezvoltării vorbirii.
PionEar abordează aceste probleme în mai multe moduri. În primul rând, PionEar este mai mic decât un tub de ureche tradițional și se potrivește perfect în urechea medie pentru a reduce cicatricea și riscul ca acestea să cadă devreme. În al doilea rând, dispozitivul reduce șansele de infecție bacteriană și de colmatare suplimentară. În cele din urmă, geometria tuburilor urechii PionEar permite acumularea de mucus să se scurgă din ureche, iar medicamentul să curgă în urechea medie și să trateze eficient o infecție.
„O componentă cheie a noutății acestei invenții este combinarea acestor efecte într-un singur dispozitiv, care este destul de provocator”, spune Michael Kreder, co-inventator PionEar și candidat la doctorat în fizică aplicată, care lucrează în biomecanica profesorului Harvard Joanna Aizenberg laborator.
Pentru a atinge cel de-al doilea obiectiv, echipa s-a inspirat din plantele carnice tropicale din familia Nepenthaceae, cele mai multe dintre ele fiind cunoscute pentru forma lor distinctivă ca flautul de șampanie. Micile nanostructuri poroase din frunza în formă de cupă a majorității plantelor de ulcior prind umezeala și lubrifiază marginea „cupei”, astfel încât odată ce o insectă gustoasă aterizează pe plantă, aceasta este trimisă într-un alunecare și alunecare la moartea sa în o groapă la baza plantei umplută cu enzime digestive.
Ridicând plantele de ulcior, Kreder și colegii săi au mascat materialul de bază al PionEar cu un strat lichid. Această construcție ajută în cele din urmă la prevenirea formării de filme bacteriene pe tubul urechii și la provocarea unei infecții persistente.
PionEar a câștigat recent premii de top la competiția Colegiatului Inventorilor, primind premiul de aur în valoare de 10.000 USD. Sala de renume a inventatorilor naționali participă la concurență în parteneriat cu Oficiul pentru brevete și mărci comerciale din Statele Unite. (Parteneriatul USPTO cu Smithsonian.com pentru a sprijini povești despre inovație la Smithsonian Institution și nu numai.) Echipa a depus un brevet provizoriu.
Membrii echipei PionEar, Michael Kreder și Nicole Black, vorbesc pe scenă cu Anthony Scardino, ofițer financiar șef al USPTO, după ce au câștigat medalia de aur a Diviziei Absolvenți la Concursul Colegiat de Inventori 2018. (Sala națională a inventatorilor naționali) Unul dintre judecătorii competiției din acest an, inginerul biomedical, Frances Ligler, de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord, cel mai cunoscut pentru activitatea sa cu biosenzorii, remarcă faptul că PionEar este deosebit de interesant, datorită modului în care potențialul său larg atinge.
"PionEar are potențialul de a îmbunătăți auzul la copii mai mult în siguranță, la un moment critic în dezvoltarea lor de vorbire, de a reduce durerea și costul intervențiilor chirurgicale repetitive și de a reduce semnificativ cicatrizarea timpanului cu pierderea auditivă permanentă asociată", spune Ligler.
Ligler speră să vadă PionEar să se miște rapid prin următoarele faze de comercializare, inclusiv aprobarea brevetului, aprobarea FDA a materialelor lor, testele pe animale și studiile clinice. „Cu cât mai devreme este mai bine”, spune ea.
Black spune că echipa va continua să îmbunătățească designul dispozitivului folosind metode de imprimare 3D în laboratorul de bioinginerie al profesorului Harvard, Jennifer Lewis. În curând, se vor îndrepta spre testarea tuburilor urechii la animalele de laborator ale stelei de otolaringologie, chinchilla, care - datorită urechilor mari ale rozătoarelor și a sensibilității similare la infecțiile urechii - a fost instrumental în studiul bolilor urechii interne și mijlocii la om decenii. Remenschneider va conduce studiul asupra animalelor la spitalul Massachusetts Eye & Ear. Eforturile de comercializare sunt în curs de desfășurare cu Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic sub îndrumarea lui Ida Pavlichenko, cercetător în dezvoltarea tehnologiei din laboratorul lui Aizenberg, care este, de asemenea, un co-inventator instrumental al aspectelor bio-inspirate ale PionEar.
„Cei doi inventatori au explorat soluția lor la o problemă care are ca rezultat suferința răspândită, în special a copiilor, din mai multe fațete”, spune Ligler. „Nimeni nu a mai făcut așa ceva înainte”.
