Ved Massachusetts Eye and Ear, et Harvard-hospital i Boston, fik Nicole Black og hendes klassekammerater besked om at kigge ind i hinandens ører ved hjælp af et otoskop for at belyse trommehinderne. Black's kolleger bemærkede, at hun havde arvæv i hendes øregang, og instruktørerne antydede, at ardannelsen muligvis var forårsaget af øre-rør, der blev indsat kirurgisk i hendes barndom for at behandle tilbagevendende øreinfektioner.
Fordi Black var et lille barn på det tidspunkt, husker hun ikke nøjagtigt, hvordan hendes egen oplevelse var med øre-rør, som er små cylindre, der er indsat i trommehinden for at holde øret ordentligt ventileret og forhindre smertefuld tilstopning. Men stadig efterlod de et varigt mærke, og en dag kunne dette arvæv føre til høretab. Omkring tidspunktet for denne klassetræning gennemgik Black's nevø øreproppekirurgi. Faktisk havde flere andre teammedlemmer også kære, der fik implanteret rør. Med sin nevø i tankerne var Black motiveret til at lede efter en løsning, så måske i fremtiden ikke får øreinfektioner i en ung alder ikke behøver at påvirke en person i et helt liv.
Black, en Harvard University bioingeniør PhD-kandidat, havde arbejdet med kirurger ved Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider og Elliott Kozin, på andre mellemøreenheder. Efter at have besluttet at undersøge måder at forbedre øre-rørene sammen med de materialevidenskabelige forskere fra Harvard for at skabe PionEar - et lille bioinspireret, 3D-trykt øre-rør, der reducerer ardannelse og behovet for gentagen indsættelseskirurgi.
Sort og hendes nevø er ikke anomalier: anslået 80 procent af børnene vil have mindst en ørebetændelse, når de er tre år gamle, og disse infektioner tegner sig for mindst 25 millioner lægebesøg årligt. De fleste infektioner kan behandles med antibiotika - enten oralt eller via øredråber. Men orale antibiotika, der bruges til hele spektret af bakterielle infektioner, som børn støder på, har vist sig at have en række bivirkninger, der tegner sig for næsten 70.000 besøg på alarmrum pr. År og er ofte overbrugte. Centers for Disease Control and Prevention anslår, at 30 procent af al antibiotika ordineret i klinikker, lægekontorer og ERs er unødvendige. Ørdråber kan være effektive, men for tilfælde med komplikationer eller ører, der er særlig tilstoppede, er det faktisk en udfordring at få dråberne til mellemøret. Næsten 700.000 børn under 15 år, der er tilbøjelige til øreinfektioner, der kommer tilbage igen og igen, behandles i USA hvert år med kirurgisk-implanterede ørepropper, ifølge American Academy of Otolaryngology - Hoved- og halskirurgi.
Ørerørene bliver ofte tilstoppede (til venstre) eller ekstruderes for hurtigt (i midten). Nuværende design begrænser også muligheden for at behandle øreinfektioner med øredråber (til højre). (PionEar) Ørrør er imidlertid heller ikke en idiotsikker løsning. I sidste ende er deres formål at ventilere øret for at reducere smerter og ikke faktisk behandle infektionen. Historisk set blev øre-rør skabt af læger - ikke ingeniører eller fysikere - formentlig i en klemme for at give deres patienter lettelse. Det første øre-rør blev skabt i 1845 af de tyske forskere Gustav Lincke og Martell Frank, og omkring et halvt dusin modeller blev introduceret i 1875 ved hjælp af forskellige materialer, herunder guld, sølv, aluminium og gummi. I 1950'erne introducerede Beverly Armstrong det første indhakede vinylbaserede rør, der stadig er grundlaget for det, der bruges i dag. Der har været lidt ændringer til det originale design.
Black og teamet fandt ud af, at når læger ordinerer øredråber til patienter med øre-rør, ofte når dråberne faktisk ikke mellemøret med rørene i begge sider, og i stedet ender med at samle på rørets overflade. Derudover falder rørene ofte for tidligt, hvilket sender børn tilbage til hospitalet for en anden operation, hvilket kan blive invasivt, dyrt og udmattende.
”Vi fandt ud af, at næsten 40 procent af øreslangerne ender med at mislykkes på den ene eller anden måde, ” siger Black, der også forfølger en mindreårig inden for tale og hørelse af biovidenskab og teknologi. ”Så disse børn ender med at gå tilbage til operationsstuen. Dette vedrører især for mig at vide, at min nevø kunne stå overfor dette. ”
At finde en løsning, der fremskynder helingsprocessen snarere end at forlænge den, er vigtig, især for små børn, der udvikler sprog. Når øreinfektioner er virkelig dårlige, og slim er opbygget i mellemøret, hører børn "dybest set, som om de er under vand, " siger Black. Hvis de ikke kan høre deres egen stemme eller deres forældre, kan dette have en enorm indflydelse på taleudviklingen.
PionEar adresserer disse problemer på flere måder. Først og fremmest er PionEar mindre end et traditionelt øre-rør og passer tæt i mellemøret for at reducere ardannelse og risikoen for, at de falder ud tidligt. For det andet reducerer enheden risikoen for bakterieinfektion og yderligere tilstopning. Til sidst tillader geometrien af PionEar øre rør, at slimopbygning drænes ud af øret og medicinen strømmer ind i mellemøret og behandler en infektion effektivt.
”En vigtig komponent i nyheden med denne opfindelse er kombinationen af disse effekter i en enkelt enhed, hvilket er ret udfordrende, ” siger Michael Kreder, en PionEar-med opfinder og en anvendt fysik-ph.d.-kandidat, der arbejder i Harvard-professor Joanna Aizenbergs biomekanik lab.
For at nå dette andet mål hentede teamet inspiration fra de kødædende tropiske krukkeplanter fra Nepenthaceae- familien, hvoraf de fleste er kendt for deres karakteristiske champagnefløjtlignende form. Små porøse nanostrukturer inden i det koppformede blad hos de fleste krukkeplanter fælder fugt og smører kanten af "bægeret", så når et velsmagende insekt først lander på planten, bliver det sendt ned en glide og glide til sin død i en grop i bunden af planten fyldt med fordøjelsesenzymer.
Kreder og hans kolleger, der stivede af kanderplanter, maskerede PionEars underliggende faste materiale med et flydende lag. Denne konstruktion hjælper i sidste ende med at forhindre bakteriefilm i at dannes på øregangen og forårsage vedvarende infektion.
PionEar vandt for nylig top æresbevisning ved Collegiate Inventors Competition og modtog guldprisen på $ 10.000. National Inventors Hall of Fame indleder konkurrencen i partnerskab med De Forenede Staters Patent and Trademark Office. (USPTO samarbejder med Smithsonian.com for at støtte historier om innovation ved Smithsonian-institutionen og videre.) Holdet har anmodet om et foreløbigt patent.
PionEar-teammedlemmer Michael Kreder og Nicole Black taler på scenen med Anthony Scardino, USPTOs økonomichef, efter at have vundet Graduate Division guldmedalje i 2018 Collegiate Inventors Competition. (National Inventors Hall of Fame) En af dommerne i dette års konkurrence, biomedicinsk ingeniør Frances Ligler fra North Carolina State University, der er bedst kendt for sit arbejde med biosensorer, bemærker, at PionEar er specielt spændende på grund af, hvordan dets enorme potentiale når ud.
"PionEar har potentialet til at forbedre hørelsen hos børn mere sikkert på et kritisk tidspunkt i deres taleudvikling, reducere smerter og omkostninger ved gentagne operationer og reducere ardannelse i trommehinden betydeligt med tilhørende permanent høretab, " siger Ligler.
Ligler håber at se PionEar gå hurtigt gennem de næste faser af kommercialisering, herunder patentgodkendelse, FDA-godkendelse af deres materialer, dyreforsøg og kliniske forsøg. ”Jo før jo bedre, ” siger hun.
Black siger, at teamet vil fortsætte med at forbedre enhedens design ved hjælp af 3D-udskrivningsmetoder i Harvard-professor Jennifer Lewis 'bioingeniørlaboratorium. Snart bevæger de sig mod at teste deres øreør i otolaryngologiens stjernelaboratoriedyr, chinchillaen, som - takket være gnaverens store ører og lignende følsomhed over for øreinfektioner - har været medvirkende til at studere sygdomme i det indre og mellemøre hos mennesker for årtier. Remenschneider vil lede dyreforsøget på Massachusetts Eye & Ear hospitalet. Kommercialiseringsindsats er i gang med Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering under vejledning af Ida Pavlichenko, en forsker inden for teknologiudvikling i Aizenbergs laboratorium, der også er en instrumentel co-opfinder af de bioinspirerede aspekter af PionEar.
”De to opfindere undersøgte deres løsning på et problem, der resulterer i udbredt lidelse, især for børn, fra mange facetter, ” siger Ligler. "Ingen har gjort noget lignende før."
