В Massachusetts Eye and Ear, болница за преподаване в Харвард в Бостън, на Никол Блек и нейните съученици беше казано да гледат вътре в ушите си, използвайки отоскоп, за да осветят тъпанчетата им. Връстниците на Блек забелязаха, че тя има белег в ушния канал и инструкторите предположиха, че белезите може да са причинени от ушни тръби, които бяха поставени хирургично през детството й за лечение на повтарящи се ушни инфекции.
Тъй като по това време Блек беше малко дете, тя не си спомня точно какъв беше нейният собствен опит с тръбите за уши, които представляват малки цилиндри, вкарани в тъпанчето, за да поддържат ухото правилно вентилирано и да предотвратяват болезненото запушване. Но все пак те оставиха траен отпечатък и един ден тази тъкан от белези може да доведе до загуба на слуха. По време на това упражнение, племенникът на Блек претърпя операция на ушната тръба. Всъщност, няколко други членове на екипа също имаха любими хора, на които им бяха имплантирани епруветки. Имайки предвид племенника си, Блек беше мотивиран да търси решение, така че може би в бъдеще получаването на ушни инфекции в млада възраст няма да се отрази на човек цял живот.
Блек, кандидат на докторант по биоинженеринг от Харвардския университет, е работил с хирурзи в Масачузетс „Око и ухо“, Арън Ременшнайдер и Елиът Козин, на други устройства за средно ухо. След като решават да проучат начините за подобряване на тръбите за ушите, те се обединиха с изследователи по материалознание от Харвард, за да създадат PionEar - мъничка био вдъхновена, 3D-печатна ушна тръба, която намалява белезите, както и необходимостта от многократна операция на поставяне.
Блек и нейният племенник не са аномалии: приблизително 80 процента от децата ще имат поне една инфекция на ухото, когато станат на три години, и тези инфекции представляват поне 25 милиона посещения на лекар годишно. Повечето инфекции могат да бъдат лекувани с антибиотици - перорално или чрез капки за уши. Установено е, че пероралните антибиотици, използвани за целия спектър от бактериални инфекции, с които се сблъскват децата, имат множество странични ефекти, които представляват близо 70 000 посещения в спешните отделения годишно и често се използват. Центровете за контрол и превенция на заболяванията изчисляват, че 30 процента от всички антибиотици, предписани в клиники, лекарски кабинети и ЕР, са ненужни. Капките за уши могат да бъдат ефективни, но за случаи с усложнения или уши, които са особено запушени, всъщност стигането на капките към средното ухо е предизвикателство. Почти 700 000 деца на възраст под 15 години, които са предразположени към ушни инфекции, които се връщат отново и отново, се лекуват в Съединените щати всяка година с хирургично имплантирани ушни тръби, според Американската академия по отоларингология - хирургия на главата и шията.
Ушните тръби често се запушват (вляво) или се екструдират твърде бързо (в средата). Сегашните дизайни също ограничават възможността за лечение на ушни инфекции с ушни капки (вдясно). (PionEar) Въпреки това, ушните тръби също не са безупречно решение. В крайна сметка тяхната цел е да проветряват ухото, за да намалят болката, а не да лекуват всъщност инфекцията. В исторически план ушните тръби са създадени от лекари - а не от инженери или физици - вероятно в щипка, за да осигурят на пациентите си облекчение. Първата ушна тръба е създадена през 1845 г. от немски учени Густав Линк и Мартел Франк, а около 18 дузина модела са въведени до 1875 г. с помощта на различни материали, включително злато, сребро, алуминий и каучук. През 50-те години на миналия век, Бевърли Армстронг представи първата назъбена тръба на винилова основа, която все още е в основата на това, което се използва днес. Има малко промени в оригиналния дизайн.
Блек и екипът откриха, че когато лекарите предписват капки за уши на пациенти с ушни тръби, често капките не достигат до средното ухо с тръбите в двете, и вместо това, в крайна сметка се събират на повърхността на тръбата. Нещо повече, тръбите често изпадат твърде рано, което изпраща децата обратно в болницата за друга операция, която може да стане инвазивна, скъпа и изтощителна.
„Установихме, че почти 40 процента от ушните тръби свързват по един или друг начин“, казва Блек, който също преследва непълнолетно лице в областта на речта и слуха на биологичните науки и технологиите. „Така че тези деца се връщат в операционната. Това е особено притеснително за мен, тъй като знам, че моят племенник може да се изправи пред това. "
Намирането на решение, което ускорява лечебния процес, вместо да го удължава, е жизненоважно, особено за малките деца, които развиват език. Когато инфекциите на ушите са наистина лоши и в средното ухо се натрупва слуз, децата „по принцип чуват, че са под вода“, казва Блек. Ако те не могат да чуят собствения си глас или родителите си, това може да има огромно влияние върху развитието на речта.
PionEar адресира тези проблеми по няколко начина. На първо място, PionEar е по-малък от традиционната ушна тръба и приляга плътно в средното ухо, за да намали белезите и риска от тях да изпаднат рано. На второ място, устройството намалява вероятността от бактериална инфекция и допълнително запушване. И накрая, геометрията на ушните тръби на PionEar позволява натрупването на слуз да се оттича от ухото и лекарството да потече в средното ухо и ефективно да лекува инфекция.
„Ключов компонент на новостта на това изобретение е комбинацията от тези ефекти в едно устройство, което е доста предизвикателно“, казва Майкъл Кредър, съосновател на PionEar и кандидат на докторант по физика, който работи по биомеханиката на професора от Харвард Джоана Айзенберг лаборатория.
За да постигне тази втора цел, екипът черпи вдъхновение от месоядните тропически стомни растения от семейство Nepenthaceae, повечето от които са известни с отличителната си форма на шампанско на флейта. Малки порести наноструктури в чашкообразния лист на повечето питчър растения улавят влагата и смазват ръба на „чашата“, така че след като вкусно насекомо кацне на растението, то ще бъде изпратено надолу по плъзгане и приплъзване към смъртта си в яма в основата на растението, пълна с храносмилателни ензими.
Крейдър и колегите му, махайки от стоманените растения, маскираха основния твърд материал на PionEar с течен слой. Тази конструкция в крайна сметка помага да се предотврати образуването на бактериални филми върху ушната тръба и да предизвика трайна инфекция.
Наскоро PionEar спечели топ отличия на конкурса Collegiate Inventors, като получи златната награда на стойност 10 000 долара. Залата на славата на националните изобретатели поставя конкуренцията в партньорство с Службата за патенти и търговски марки на САЩ. (USPTO си партнира със Smithsonian.com, за да подкрепи историите за иновациите в Smithsonian Institution и извън нея.) Екипът е подал заявление за временен патент.
Членовете на екипа на PionEar Майкъл Кредър и Никол Блек разговарят на сцената с Антъни Скардино, главен финансов директор на USPTO, след като спечели златния медал на Graduate Division в конкурса Collegiate Inventors 2018. (Национална зала на славата на изобретателите) Една от съдиите на тазгодишния конкурс, биомедицинският инженер Франсис Лиглер от държавния университет в Северна Каролина, която е най-известна с работата си с биосензори, отбелязва, че PionEar е особено вълнуващ поради това как огромният му потенциал достига.
„PionEar има потенциал да подобри слуха по-безопасно при децата в критичен момент в развитието на речта си, да намали болката и цената на повтарящите се операции и значително да намали белезите на тъпанчето със свързана с него постоянна загуба на слуха“, казва Лиглер.
Лиглер се надява да види PionEar бързо да премине през следващите фази на комерсиализация, включително одобрение на патенти, одобрение от FDA на техните материали, тестове върху животни и клинични изпитвания. „Колкото по-рано, толкова по-добре“, казва тя.
Блек казва, че екипът ще продължи да подобрява дизайна на устройството, използвайки методи за 3D печат в лабораторията за биоинженеринг на професор от Харвард Дженифър Луис. Скоро те ще се насочат към тестване на ушните си епруветки в звездното лабораторно животно на отоларингологията, чинчилата, което - благодарение на големите уши на гризача и подобна чувствителност към инфекции на ушите - е от съществено значение при изучаването на заболявания на вътрешното и средното ухо при хората за десетилетия. Remenschneider ще ръководи изследването на животни в болницата за очи и уши в Масачузетс. В момента се предприемат усилия за комерсиализация с Института за биологично вдъхновено инженерство Wyss под ръководството на Ида Павличенко, изследовател за технологично развитие в лабораторията на Айзенберг, който също е инструментален съизмислител на биологично вдъхновените аспекти на PionEar.
„Двамата изобретатели проучиха своето решение на проблем, който води до широко страдание, особено от деца, от много аспекти“, казва Лиглер. "Никой не е правил подобно нещо преди."
