V Massachusetts Eye and Ear, harvardské fakultní nemocnici v Bostonu, bylo Nicole Black a jejím spolužákům řečeno, aby se dívali dovnitř uší pomocí otoskopu, který osvětluje jejich ušní bubínky. Blackovi vrstevníci si všimli, že měla ušní tkáň v ušním kanálu a instruktoři naznačovali, že zjizvení může být způsobeno ušními trubičkami, které byly chirurgicky zavedeny během jejího dětství k léčbě opakujících se ušních infekcí.
Protože Black byl v té době batoletem, nepamatuje si přesně, jaká byla její vlastní zkušenost s ušními trubičkami, což jsou malé válce vložené do ušního bubínku, aby udržely ucho řádně větrané a zabránilo bolestivému ucpávání. Stále však zanechali trvalou stopu a jednoho dne by tato jizva mohla vést ke ztrátě sluchu. Kolem času této třídy se Blackův synovec podrobil operaci ušní trubice. Ve skutečnosti několik dalších členů týmu také milovalo ty, kterým byly implantovány trubice. S ohledem na svého synovce byla Černá motivována hledat řešení, takže možná v budoucnu nebude mít ušní infekce v mladém věku dopad na člověka na celý život.
Black, kandidát PhD na bioinženýrství na Harvardské univerzitě, pracoval s chirurgy na Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider a Elliott Kozin na dalších prostředcích s ušima. Poté, co se rozhodli prozkoumat způsoby, jak vylepšit ušní trubice, spojili se s vědci z oblasti vědy o materiálech z Harvardu, aby vytvořili PionEar - malou bio-inspirovanou, 3D-potištěnou ušní trubici, která omezuje zjizvení i potřebu opakovaného zavádění.
Černá a její synovec nejsou anomálie: odhaduje se, že 80 procent dětí bude mít alespoň jednu ušní infekci do doby, kdy budou mít tři roky, a tyto infekce představují nejméně 25 milionů návštěv lékaře ročně. Většina infekcí může být léčena antibiotiky - buď orálně, nebo pomocí ušních kapek. Bylo však zjištěno, že perorální antibiotika používaná pro celou řadu bakteriálních infekcí, se kterými se děti setkávají, mají řadu vedlejších účinků, což představuje téměř 70 000 návštěv v pohotovostních místnostech ročně, a jsou často nadužívány. Centra pro kontrolu a prevenci nemocí odhadují, že 30 procent všech antibiotik předepsaných na klinikách, v ordinacích a ER je zbytečných. Ušní kapky mohou být účinné, ale pro případy komplikací nebo uší, které jsou zvláště ucpané, je vlastně dostat kapky do středního ucha výzvou. Téměř 700 000 dětí mladších 15 let, které jsou náchylné k infekcím uší, které se znovu a znovu vracejí, je ve Spojených státech každoročně léčeno chirurgicky implantovanými ušními trubičkami, podle americké akademie otorinolaryngologie - operace hlavy a krku.
Ušní trubice se často ucpávají (vlevo) nebo příliš rychle vytlačují (uprostřed). Současné konstrukce také omezují schopnost léčit ušní infekce ušními kapkami (vpravo). (PionEar) Ušní trubice však nejsou ani spolehlivým řešením. Jejich účelem je v konečném důsledku ventilovat ucho, aby se snížila bolest, nikoli aby se infekce skutečně léčila. Historicky byly ušní trubice vytvořeny lékaři - nikoli inženýry nebo fyziky - pravděpodobně ve špetce, aby poskytli pacientům úlevu. První ušní trubice byla vytvořena v roce 1845 německými vědci Gustavem Linckem a Martellem Frankem. V roce 1875 bylo představeno asi půl tuctu modelů s použitím různých materiálů, včetně zlata, stříbra, hliníku a gumy. V padesátých letech minulého století představil Beverly Armstrong první trubku na bázi vinylu, která je stále základem toho, co se dnes používá. Oproti původnímu designu došlo k malé změně.
Black a tým zjistili, že když lékaři předepisují ušní kapky pacientům s ušními zkumavkami, kapky často nedosáhnou ani středního ucha s zkumavkami, a místo toho skončí sdružování na povrchu zkumavky. Navíc zkumavky často vypadnou příliš brzy, což posílá děti zpět do nemocnice na další operaci, která může být invazivní, nákladná a vyčerpávající.
"Zjistili jsme, že téměř 40 procent ušních trubic skončí selháním tak či onak, " říká Black, který také pronásleduje nezletilého v biologii a technologii řeči a sluchu. "Takže tyto děti skončí návratem na operační sál." Týká se to zejména toho, že vím, že můj synovec by tomu mohl čelit. “
Nalezení řešení, které urychluje proces hojení a ne prodlužování, je zásadní, zejména pro malé děti, které vyvíjejí jazyk. Když jsou ušní infekce opravdu špatné a ve středním uchu se hromadí hlen, děti „v podstatě slyší, že jsou pod vodou, “ říká Black. Pokud neslyší svůj vlastní hlas nebo své rodiče, může to mít obrovský dopad na vývoj řeči.
PionEar řeší tyto problémy několika způsoby. V první řadě je PionEar menší než tradiční ušní trubice a pohodlně sedí ve středním uchu, aby se snížilo zjizvení a riziko předčasného vypadnutí. Za druhé, zařízení snižuje šanci na bakteriální infekci a další ucpání. A konečně, geometrie ušních zkumavek PionEar umožňuje hromadění hlenu, aby vytékalo z ucha a lék stékal do středního ucha a účinně léčil infekci.
„Klíčovou součástí novosti tohoto vynálezu je kombinace těchto efektů v jediném zařízení, což je docela náročné, “ říká Michael Kreder, spolu-vynálezce PionEar a kandidát PhD z aplikované fyziky, který pracuje v biomechanice Harvardské profesorky Joanna Aizenbergové laboratoř.
K dosažení tohoto druhého cíle se tým inspiroval masožravými rostlinami tropického džbánu z rodiny Nepenthaceae, z nichž většina je známá svým výrazným tvarem podobným šampaňské flétně. Drobné porézní nanostruktury v poháru ve tvaru listů většiny džbánových rostlin zachycují vlhkost a promazávají okraj „šálku“, takže jakmile na rostlině dopadne chutný hmyz, posílá se sklouznutím a sklouznutím k jeho smrti v jáma na dně rostliny naplněná trávicími enzymy.
Kreder a jeho kolegové odtrhali džbánové rostliny a zakryli podkladový pevný materiál PionEar tekutou vrstvou. Tato konstrukce v konečném důsledku pomáhá zabránit tvorbě bakteriálních filmů na ušní trubici a způsobit přetrvávající infekci.
PionEar nedávno získal nejvyšší ocenění v soutěži Collegiate Inventors Competition a získal zlatou cenu v hodnotě 10 000 $. Síň slávy National Inventors Hall of Fame vyhlašuje soutěž ve spolupráci s Úřadem pro patenty a ochranné známky Spojených států. (USPTO spolupracuje s Smithsonian.com na podpoře příběhů o inovacích v Smithsonian Institution a dále.) Tým požádal o dočasný patent.
Členové týmu PionEar Michael Kreder a Nicole Black mluví na jevišti s Anthony Scardinem, hlavním finančním ředitelem USPTO, poté, co vyhrál zlatou medaili Graduate Division na soutěži Collegiate Inventors v roce 2018. (Síň slávy národních vynálezců) Jeden z rozhodčích letošní soutěže, biomedicínský inženýr Frances Ligler ze Státní univerzity v Severní Karolíně, který je nejlépe známý pro svou práci s biosenzory, poznamenává, že PionEar je obzvláště vzrušující kvůli tomu, jak jeho obrovský potenciál dosahuje.
"PionEar má potenciál zlepšit bezpečnější sluch u dětí v kritickém čase jejich vývoje řeči, snížit bolest a náklady na opakované operace a výrazně snížit zjizvení ušního bubínku s tím spojené trvalé ztráty sluchu, " říká Ligler.
Ligler doufá, že se PionEar rychle přesune v dalších fázích komercializace, včetně schválení patentu, schválení FDA jejich materiálů, testů na zvířatech a klinických hodnocení. "Čím dříve, tím lépe, " říká.
Black říká, že tým bude i nadále vylepšovat design zařízení pomocí metod 3D tisku v bioinženýrství Harvardské profesorky Jennifer Lewisové. Brzy se budou pohybovat směrem k testování svých ušních trubic u hvězdného laboratorního zvířete otolaryngologie, činčily, která - díky velkým uším hlodavců a podobné náchylnosti k infekcím uší - byla nápomocná při studiu nemocí vnitřního a středního ucha u lidí dekády. Remenschneider povede studii na zvířatech v nemocnici Massachusetts Eye & Ear. Úsilí o komercializaci probíhá ve Wyssově institutu pro biologicky inspirované inženýrství pod vedením Idy Pavlichenko, výzkumného pracovníka v oblasti technologického vývoje v Aizenbergově laboratoři, který je také pomocným spolu-vynálezcem biologicky inspirovaných aspektů PionEar.
„Oba vynálezci prozkoumali své řešení problému, který má za následek rozsáhlé utrpení, zejména dětí, mnoha aspekty, “ říká Ligler. "Nikdo předtím nic takového neudělal."
