Ved Massachusetts Eye and Ear, et Harvard-sykehus i Boston, fikk Nicole Black og klassekameratene beskjed om å se inni hverandres ører ved hjelp av et otoskop for å belyse trommehinnen. Black's jevnaldrende bemerket at hun hadde arrvev i øregangen, og instruktørene antydet at arrdannelsen kan ha vært forårsaket av øre-rør som ble satt inn kirurgisk i barndommen for å behandle tilbakevendende ørebetennelser.
Fordi Black var en smårolling på den tiden, husker hun ikke helt hvordan hennes egen erfaring var med øre-rør, som er små sylindre som er satt inn i trommehinnen for å holde øret ordentlig ventilert og forhindre smertefull tilstopping. Men fortsatt satte de et varig merke, og en dag kan dette arrvevet føre til hørselstap. Rundt tidspunktet for denne klassetreningen, gjennomgikk Blacks nevø øreproppskirurgi. Faktisk hadde flere andre teammedlemmer også kjære som fikk implantert rør. Med nevøen min i bakhodet, var Black motivert for å se etter en løsning, slik at det i fremtiden kanskje ikke vil påvirke en person i et helt liv i fremtiden å få ørebetennelser i ung alder.
Black, en Harvard University bioingeniør PhD-kandidat, hadde jobbet med kirurger ved Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider og Elliott Kozin, på andre mellomøreenheter. Etter å ha bestemt seg for å undersøke måter å forbedre øre-rørene på, gikk de sammen med forskere fra Harvard for å lage PionEar - et bittelitt bio-inspirert, 3D-trykt øre-rør som reduserer arrdannelse og behovet for gjentatt innsettingskirurgi.
Svart og nevøen hennes er ikke avvik: anslagsvis 80 prosent av barna vil ha minst en ørebetennelse når de er tre år gamle, og disse infeksjonene utgjør minst 25 millioner legebesøk årlig. De fleste infeksjoner kan behandles med antibiotika - enten muntlig eller via øre dråper. Men orale antibiotika som brukes for alle bakterieinfeksjoner som barn møter, har vist seg å ha en rekke bivirkninger, noe som utgjør nesten 70 000 besøk på legevakta per år, og er ofte overbruk. Centers for Disease Control and Prevention anslår at 30 prosent av alle antibiotika foreskrevet på klinikker, legekontorer og ERs er unødvendige. Øredråper kan være effektive, men for tilfeller med komplikasjoner eller ører som er spesielt tette, er det faktisk en utfordring å få dråpene til mellomøret. Nesten 700 000 barn under 15 år, som er utsatt for ørebetennelse som kommer tilbake igjen og igjen, blir behandlet i USA hvert år med kirurgisk implanterte øre-rør, ifølge American Academy of Otolaryngology - Hode- og nakkekirurgi.
Øreør blir ofte tilstoppet (til venstre) eller ekstruderes for raskt (midt). Nåværende design begrenser også muligheten til å behandle ørebetennelser med øre dråper (til høyre). (PionEar) Øre-rør er imidlertid ikke en idiotsikker løsning. Til syvende og sist er deres formål å ventilere øret for å redusere smerter, for ikke å behandle infeksjonen. Historisk sett ble ørerør skapt av leger - ikke ingeniører eller fysikere - antagelig i en klype for å gi sine pasienter lettelse. Det første øreøret ble opprettet i 1845 av de tyske forskerne Gustav Lincke og Martell Frank, og omtrent et halvt dusin modeller ble introdusert i 1875 ved bruk av forskjellige materialer, inkludert gull, sølv, aluminium og gummi. På 1950-tallet introduserte Beverly Armstrong det første hakkede vinylbaserte røret som fremdeles er grunnlaget for det som brukes i dag. Det opprinnelige designet har vært lite endret.
Black og teamet fant ut at når legene foreskriver øredråper til pasienter med øre-rør, ofte ikke når dråpene mellomøret med rørene i heller, og i stedet ender med å samle seg på overflaten av røret. Dessuten faller rørene ofte ut for tidlig, noe som sender barna tilbake til sykehuset for en annen operasjon, noe som kan bli inngripende, dyre og utmattende.
"Vi fant ut at nesten 40 prosent av øreproppene ender opp med å mislykkes på en eller annen måte, " sier Black, som også forfølger en mindreårig innen tale og hørsel biovitenskap og teknologi. “Så disse barna ender opp med å gå tilbake til operasjonssalen. Dette gjelder spesielt for meg å vite at nevøen min kunne møte dette. ”
Det er viktig å finne en løsning som fremmer helbredelsesprosessen enn å forlenge den, spesielt for små barn som utvikler språk. Når ørebetennelser er veldig dårlige og slim er bygd opp i mellomøret, hører barna i utgangspunktet at de er under vann, sier Black. Hvis de ikke kan høre sin egen stemme eller foreldrene sine, kan dette ha stor innvirkning på taleutviklingen.
PionEar tar opp disse problemene på flere måter. Først og fremst er PionEar mindre enn et tradisjonelt øre-rør og passer tett i mellomøret for å redusere arrdannelse og risikoen for at de faller ut tidlig. For det andre reduserer enheten sjansen for bakteriell infeksjon og ytterligere tilstopping. Til slutt tillater geometrien til PionEar ørerør at slimoppbygging drenerer ut av øret og medisinen strømmer inn i mellomøret og behandler en infeksjon effektivt.
"En viktig komponent i nyheten med denne oppfinnelsen er kombinasjonen av disse effektene i en enkelt enhet, noe som er ganske utfordrende, " sier Michael Kreder, en PionEar-medoppfinner og en anvendt fysikk-doktorgradskandidat som jobber i Harvard-professor Joanna Aizenbergs biomekanikk. lab.
For å oppnå det andre målet, hentet teamet inspirasjon fra de kjøttetende tropiske muggeplantene fra Nepenthaceae- familien, de fleste er kjent for sin særegne champagneflautlignende form. Små, porøse nanostrukturer i det koppformede bladet til de fleste muggeplanter fanger fuktighet og smører kanten av "koppen", slik at når et smakfullt insekt lander på planten, blir det sendt en glidebryt til sin død i en grop i bunnen av planten fylt med fordøyelsesenzymer.
Kreder og kollegene maskerte PionEars underliggende faste materiale med et flytende lag mens han stivnet av krukkeplanter. Denne konstruksjonen hjelper til slutt å forhindre at bakteriefilmer dannes på øregangen og forårsaker vedvarende infeksjoner.
PionEar vant nylig topp utmerkelser på Collegiate Inventors Competition, og mottok gullprisen til en verdi av $ 10.000. National Inventors Hall of Fame stiller på konkurransen i samarbeid med USAs Patent and Trademark Office. (USPTO samarbeider med Smithsonian.com for å støtte historier om innovasjon ved Smithsonian Institution og videre.) Teamet har søkt om en foreløpig patent.
PionEar-teammedlemmene Michael Kreder og Nicole Black snakker på scenen med Anthony Scardino, USPTOs økonomisjef, etter å ha vunnet Graduate Division-gullmedaljen i Collegiate Inventors Competition 2018. (National Inventors Hall of Fame) En av dommerne i årets konkurranse, biomedisinsk ingeniør Frances Ligler fra North Carolina State University, som er mest kjent for sitt arbeid med biosensorer, konstaterer at PionEar er spesielt spennende på grunn av hvor stort potensiale det når.
"PionEar har potensial til å forbedre hørselen hos barn tryggere på et kritisk tidspunkt i taleutviklingen, redusere smertene og kostnadene ved repeterende operasjoner og redusere arrdannelsen på trommehinnen betydelig, " sier Ligler.
Ligler håper å se PionEar raskt gå gjennom de neste faser av kommersialisering, inkludert patentgodkjenning, FDA-godkjenning av materialene deres, dyreforsøk og kliniske studier. "Jo før jo bedre, " sier hun.
Black sier at teamet vil fortsette å forbedre enhetens design ved hjelp av 3D-utskriftsmetoder i Harvard-professor Jennifer Lewis bioingeniørlaboratorium. Snart vil de bevege seg mot å teste øreørene i otolaryngologiens stjernelaboratoriedyr, chinchillaen, som - takket være gnagerens store ører og lignende følsomhet for ørebetennelser - har bidratt til å studere indre og mellomøret i mennesker for tiår. Remenschneider vil lede dyreundersøkelsen ved Massachusetts Eye & Ear sykehus. Kommersialiseringsarbeid pågår med Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering under ledelse av Ida Pavlichenko, en forsker innen teknologiutvikling i Aizenbergs laboratorium som også er en instrumentell medoppfinner av de bioinspirerte aspektene ved PionEar.
"De to oppfinnerne undersøkte løsningen på et problem som resulterer i omfattende lidelser, spesielt av barn, fra mange fasetter, " sier Ligler. "Ingen har gjort noe lignende før."
