W Massachusetts Eye and Ear, szpitalu na Harvardzie w Bostonie, Nicole Black i jej koledzy z klasy zostali poproszeni o obejrzenie sobie uszu za pomocą otoskopu do oświetlania błony bębenkowej. Rówieśnicy Black zauważyli, że ma bliznę w kanale słuchowym, a instruktorzy zasugerowali, że blizny mogły być spowodowane przez rurki uszne, które chirurgicznie wkładano w dzieciństwie w celu leczenia nawracających infekcji ucha.
Ponieważ Black była wówczas maluchem, nie pamięta dokładnie, jak wyglądało jej własne doświadczenie z rurkami usznymi, które są małymi cylindrami wkładanymi do błony bębenkowej, aby zapewnić odpowiednią wentylację ucha i zapobiec bolesnemu zatykaniu. Mimo to pozostawili trwały ślad i pewnego dnia ta blizna może doprowadzić do utraty słuchu. W czasie tego ćwiczenia siostrzeniec Blacka przeszedł operację rurki usznej. W rzeczywistości kilku innych członków zespołu miało także swoich bliskich, którzy wszczepiali rurki. Z myślą o swoim siostrzeńcu Black był zmotywowany do poszukiwania rozwiązania, aby być może w przyszłości zarażenie ucha w młodym wieku nie będzie miało wpływu na osobę przez całe życie.
Black, doktor nauk biologicznych z Uniwersytetu Harvarda, pracował z chirurgami z Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider i Elliott Kozin, nad innymi urządzeniami ucha środkowego. Po podjęciu decyzji o zbadaniu sposobów ulepszenia nauszników, połączyli siły z naukowcami zajmującymi się materiałoznawstwem z Harvardu, aby stworzyć PionEar - malutką inspirowaną biologią, nausznik z nadrukiem 3D, który zmniejsza blizny, a także potrzebę powtarzanej operacji wkładania.
Black i jej siostrzeniec nie są anomaliami: szacunkowo 80 procent dzieci będzie miało co najmniej jedną infekcję ucha w wieku trzech lat, a te infekcje stanowią co najmniej 25 milionów wizyt lekarskich rocznie. Większość infekcji można leczyć antybiotykami - doustnie lub kroplami do uszu. Ale doustne antybiotyki stosowane w całym szeregu infekcji bakteryjnych, które napotykają dzieci, mają wiele skutków ubocznych, odpowiadających za prawie 70 000 wizyt na pogotowiu rocznie i często są nadużywane. Centra Kontroli i Zapobiegania Chorobom szacują, że 30 procent wszystkich antybiotyków przepisywanych w klinikach, gabinetach lekarskich i oddziałach ratunkowych jest niepotrzebnych. Krople do uszu mogą być skuteczne, ale w przypadku powikłań lub szczególnie zatkanych uszu uzyskanie kropli do ucha środkowego stanowi wyzwanie. Według American Academy of Otolaryngology - chirurgii głowy i szyi co roku w Stanach Zjednoczonych prawie 700 000 dzieci w wieku poniżej 15 lat, które są podatne na nawracające infekcje ucha, leczy się w Stanach Zjednoczonych za pomocą chirurgicznie wszczepionych rurki usznej.
Rurki uszne często zapychają się (po lewej) lub zbyt szybko wyciskają (w środku). Obecne projekty ograniczają również zdolność leczenia infekcji ucha kroplami do uszu (po prawej). (PionEar) Jednak nauszniki nie są też niezawodnym rozwiązaniem. Ostatecznie ich celem jest wentylacja ucha w celu zmniejszenia bólu, a nie leczenie infekcji. Historycznie, rurki douszne były tworzone przez lekarzy - a nie inżynierów i fizyków - prawdopodobnie w uścisku, aby zapewnić pacjentom ulgę. Pierwsza rurka uszna została stworzona w 1845 r. Przez niemieckich naukowców Gustava Lincke i Martell Frank, a do 1875 r. Wprowadzono około pół tuzina modeli przy użyciu różnych materiałów, w tym złota, srebra, aluminium i gumy. W latach 50. ubiegłego wieku Beverly Armstrong wprowadził pierwszą karbowaną rurkę na bazie winylu, która nadal stanowi podstawę tego, co jest dziś używane. Niewiele zmieniło się w stosunku do pierwotnego projektu.
Black i zespół odkryli, że kiedy lekarze przepisują krople do uszu pacjentom z rurkami, często krople nie docierają do ucha środkowego z rurkami w obu, a zamiast tego gromadzą się na powierzchni rurki. Co więcej, rurki często wypadają zbyt wcześnie, co odsyła dzieci do szpitala na kolejną operację, która może stać się inwazyjna, kosztowna i wyczerpująca.
„Odkryliśmy, że prawie 40 procent lamp usznych kończy się awarią w ten czy inny sposób”, mówi Black, który dąży również do uzyskania niewielkiej wiedzy w zakresie mowy i słuchu w dziedzinie biologii i technologii. „Więc te dzieci wracają do sali operacyjnej. Jest to szczególnie niepokojące dla mnie, wiedząc, że mój siostrzeniec może stawić temu czoła.
Znalezienie rozwiązania, które przyspieszy proces gojenia, a nie jego przedłużenie, jest niezbędne, szczególnie dla małych dzieci, które rozwijają język. Kiedy infekcje ucha są naprawdę złe, a śluz gromadzi się w uchu środkowym, dzieci „w zasadzie słyszą, jakby były pod wodą”, mówi Black. Jeśli nie słyszą własnego głosu lub rodziców, może to mieć ogromny wpływ na rozwój mowy.
PionEar rozwiązuje te problemy na kilka sposobów. Przede wszystkim PionEar jest mniejszy niż tradycyjna tuba douszna i pasuje do ucha środkowego, aby zmniejszyć blizny i ryzyko ich wczesnego wypadnięcia. Po drugie, urządzenie zmniejsza ryzyko infekcji bakteryjnej i dodatkowego zatykania. Wreszcie geometria rurki usznej PionEar pozwala na gromadzenie się śluzu z ucha, a lek wpływa do ucha środkowego i skutecznie leczy infekcję.
„Kluczowym elementem nowości tego wynalazku jest połączenie tych efektów w jednym urządzeniu, co jest dość trudne”, mówi Michael Kreder, współtwórca PionEar i doktorant fizyki stosowanej, pracujący w biomechanice profesora Harvarda Joanny Aizenberg laboratorium.
Aby osiągnąć ten drugi cel, zespół zainspirował się mięsożernymi roślinami tropikalnego dzbanka z rodziny Nepenthaceae, z których większość znana jest z charakterystycznego kształtu przypominającego flet szampana. Małe porowate nanostruktury wewnątrz liścia w kształcie miseczki większości roślin doniczkowych wychwytują wilgoć i smarują krawędź „kubka”, tak że gdy smaczny owad wyląduje na roślinie, ześlizguje się i zsuwa na śmierć w dół u podstawy rośliny wypełniony enzymami trawiennymi.
Kreder i jego koledzy odsunęli rośliny miotaczy i zamaskowali leżący poniżej materiał stały PionEar za pomocą warstwy cieczy. Taka konstrukcja ostatecznie pomaga zapobiegać tworzeniu się filmów bakteryjnych na rurce ucha i powodowaniu trwałej infekcji.
PionEar niedawno zdobył najwyższe wyróżnienia na Collegiate Inventors Competition, otrzymując złotą nagrodę o wartości 10 000 $. National Inventors Hall of Fame konkuruje z Biurem Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych. (Partnerzy USPTO i Smithsonian.com wspierają historie na temat innowacji w Smithsonian Institution i nie tylko.) Zespół złożył wniosek o tymczasowy patent.
Członkowie zespołu PionEar Michael Kreder i Nicole Black rozmawiają na scenie z Anthonym Scardino, dyrektorem finansowym USPTO, po zdobyciu złotego medalu Graduate Division na Collegiate Inventors Competition 2018. (National Inventors Hall of Fame) Jedna z sędziów tegorocznego konkursu, inżynier biomedyczna Frances Ligler z North Carolina State University, najbardziej znana ze swojej pracy z bioczujnikami, zauważa, że PionEar jest szczególnie ekscytujący ze względu na jego ogromny potencjał.
„PionEar może potencjalnie poprawić bezpieczeństwo słyszenia u dzieci w krytycznym momencie rozwoju mowy, zmniejszyć ból i koszty powtarzalnych operacji oraz znacznie zmniejszyć bliznowacenie błony bębenkowej z towarzyszącym trwałym ubytkiem słuchu”, mówi Ligler.
Ligler ma nadzieję, że PionEar szybko przejdzie przez kolejne etapy komercjalizacji, w tym zatwierdzenie patentu, zatwierdzenie materiałów przez FDA, testy na zwierzętach i próby kliniczne. „Im wcześniej, tym lepiej” - mówi.
Black twierdzi, że zespół będzie nadal poprawiał projekt urządzenia przy użyciu metod drukowania 3D w laboratorium bioinżynierii profesora Harvarda, Jennifer Lewis. Wkrótce zmienią się w kierunku badania rurki usznej u gwiezdnego zwierzęcia laboratorium otolaryngologii, szynszyli, która - dzięki dużym uszom gryzoni i podobnej podatności na infekcje ucha - przyczyniła się do badania chorób ucha wewnętrznego i środkowego u ludzi pod kątem dekady. Remenschneider poprowadzi badania na zwierzętach w szpitalu Eye & Ear w Massachusetts. Pod kierunkiem Idy Pavlichenko, badacza rozwoju technologii w laboratorium Aizenberga, który jest także współtwórcą inspirowanych biologicznie aspektów PionEar, trwają prace komercjalizacyjne.
„Dwaj wynalazcy badali swoje rozwiązanie problemu, który powoduje powszechne cierpienie, zwłaszcza dzieci, z wielu aspektów”, mówi Ligler. „Nikt wcześniej nie zrobił czegoś takiego”.
