Bostonis Harvardi õppehaiglas Massachusettsi Eye and Ear'is öeldi Nicole Blackile ja tema klassikaaslastele, et nad vaataksid teineteise kõrvu, kasutades otoskoopi oma kuulmekilede valgustamiseks. Blacki eakaaslased märkasid, et tal oli kõrvakanalis armkude ja juhendajad arvasid, et armistumise põhjuseks võivad olla lapsepõlves korduvalt korduvate kõrvapõletike raviks kirurgiliselt sisestatud kõrvatorud.
Kuna Black oli omal ajal väikelaps, ei mäleta ta täpselt, millised olid tema enda kogemused kõrvatorudega, mis on kuulmekile sisestatud pisikesed silindrid, et hoida kõrva korralikult ventileerituna ja vältida valulikku ummistumist. Kuid ikkagi jätsid nad püsiva jälje ja ühel päeval võib see armkoe põhjustada kuulmislangust. Selle klassi harjutuse ajal tehti Blacki vennapojale kõrva toru operatsioon. Tegelikult olid ka mitmetel teistel meeskonnaliikmetel lähedased, kellele tehti torusid. Arvestades oma vennapoega, oli Must motiveeritud lahendust otsima, nii et tulevikus ei peagi noores eas kõrvapõletiku saamine inimest terveks eluks mõjutama.
Harvardi ülikooli biotehnoloogia doktorikraadiga kandidaat Black oli töötanud Massachusettsi silma- ja kõrvakirurgide Aaron Remenschneideri ja Elliott Kozini kirurgide ja teiste keskkõrva seadmetega. Olles otsustanud uurida kõrvatorude parandamise viise, tegid nad Harvardi materjaliteaduse uurijatega koostööd, et luua PionEar - pisike bio-inspireeritud 3D-prinditud kõrvatoru, mis vähendab armistumist ja vajadust korduvate sisestamisoperatsioonide järele.
Must ja tema vennapoeg ei ole anomaaliad: hinnanguliselt 80 protsendil lastest on kolmeaastaseks saamisel vähemalt üks kõrvapõletik ja nende nakkuste tõttu toimub aastas vähemalt 25 miljonit arsti visiiti. Enamikku nakkusi saab ravida antibiootikumidega - kas suu kaudu või kõrvatilkade kaudu. Kuid suukaudsetel antibiootikumidel, mida kasutatakse kõigi bakteriaalsete infektsioonide jaoks, mis lastel on, on palju kõrvaltoimeid, mis teevad aastas ligi 70 000 erakorralise meditsiini osakonna külastust, ja neid kasutatakse sageli liiga palju. Haiguste kontrolli ja ennetamise keskuste hinnangul on 30 protsenti kliinikutes, arstikabinettides ja ER-des välja kirjutatud antibiootikumidest tarbetud. Kõrvatilgad võivad olla tõhusad, kuid tüsistuste või eriti ummistunud kõrvade korral on väljakutse tilkade saamine keskkõrva. Ameerika otolaryngology - pea- ja kaelakirurgia akadeemia andmetel ravitakse Ameerika Ühendriikides igal aastal kirurgiliselt implanteeritud kõrvatorudega peaaegu 700 000 alla 15-aastast last, kellel on kalduvus korduvate korduvate kõrvapõletike tekkeks.
Kõrva torud ummistuvad sageli (vasakul) või ekstrudeeruvad liiga kiiresti (keskel). Samuti piiravad praegused disainilahendused kõrvapõletike ravi kõrvatilkadega (paremal). (PionEar) Kuid ka kõrva torud pole lollikindel lahendus. Lõppkokkuvõttes on nende eesmärk kõrva ventileerimine, et valu vähendada, mitte infektsiooni tegelikult ravida. Ajalooliselt lõid kõrva torud arstid - mitte insenerid ega füüsikud - arvatavasti näputäis, et oma patsientidele leevendust pakkuda. Esimese kõrvatoru lõid 1845. aastal saksa teadlased Gustav Lincke ja Martell Frank ning 1875. aastaks tutvustati umbes pool tosinat mudelit, kasutades erinevaid materjale, sealhulgas kulda, hõbedat, alumiiniumi ja kummi. 1950ndatel tutvustas Beverly Armstrong esimest sälguga vinüülipõhist toru, mis on endiselt tänapäeval kasutatava alus. Algses kujunduses pole vähe muutunud.
Must ja meeskond leidsid, et kui arstid määravad kõrvatilkadega patsientidele kõrvatilgad, siis sageli ei jõua tilgad kummaski toruga keskkõrva, vaid jõuavad toru pinnale. Veelgi enam, torud kukuvad sageli liiga kiiresti välja, mis saadab lapsed tagasi haiglasse uue operatsiooni jaoks, mis võib muutuda invasiivseks, kalliks ja kurnavaks.
"Leidsime, et peaaegu 40 protsenti kõrva torudest ebaõnnestub, " ütleb Black, kes jälitab alaealist ka kõne- ja kuuldetehnoloogia ning tehnoloogia alal. Nii lähevad need lapsed lõpuks tagasi operatsioonituppa. See teeb mulle eriti muret teadmisega, et mu vennapoeg võib sellega silmitsi seista. ”
Paranemisprotsessi kiirendava, mitte selle pikendamise jaoks lahenduse leidmine on ülioluline, eriti väikeste laste jaoks, kes arendavad keelt. Kui kõrvapõletikud on tõesti halvad ja keskkõrva on kogunenud lima, kuulevad lapsed põhimõtteliselt nagu nad oleksid vee all, "ütleb Must. Kui nad ei kuule enda ega oma vanemate häält, võib see kõne arengule tohutut mõju avaldada.
PionEar tegeleb nende probleemidega mitmel viisil. Kõigepealt on PionEar väiksem kui traditsiooniline kõrvatoru ja sobib tihedalt keskkõrva, et vähendada armistumist ja ohtu, et need varakult välja kukuvad. Teiseks vähendab seade bakteriaalse infektsiooni ja täiendava ummistumise võimalust. Ja lõpuks, PionEari kõrva torude geomeetria võimaldab lima kogunemisel kõrvast välja voolata ja ravim voolab keskkõrva ning tõhusalt ravida infektsiooni.
"Selle leiutise uudsuse põhikomponent on nende mõjude ühendamine ühes seadmes, mis on üsna keeruline, " ütleb PionEari kaasasutaja ja rakendusfüüsika doktorant Michael Kreder, kes töötab Harvardi professori Joanna Aizenbergi biomehaanikas. lab.
Selle teise eesmärgi saavutamiseks ammutas meeskond inspiratsiooni Nepenthaceae perekonnast pärit lihasööjatest troopiliste kannude taimedest, millest enamik on tuntud oma eristatava šampanja flöödilaadse kuju poolest. Enamiku koppitaimede tassikujulises lehes asuvad pisikesed poorsed nanostruktuurid püüavad niiskust kinni ja määrivad tassi ääre nii, et kui maitsev putukas taimele maandub, saadetakse see libisemise ja libisemise alla oma surma taime põhjas asuv kaev, mis on täidetud seedeensüümidega.
Köögiviljataimed maha maskeerides, maskeerisid Kreder ja tema kolleegid PionEari alusmaterjali vedela kihiga. See konstruktsioon aitab lõppkokkuvõttes ära hoida bakterifilmide moodustumist kõrvatorule ja põhjustada püsivat infektsiooni.
PionEar võitis hiljuti Collegiate Leiutajate konkursil kõrgeimad autasud, saades 10 000 dollari väärtuses kuldpreemiat. Riiklike leiutajate kuulsuste saal paneb konkursi välja koostöös USA patendi- ja kaubamärgiametiga. (USPTO teeb koostööd Smithsonian.com-iga, et toetada innovatsioonilugusid Smithsoniani asutuses ja mujal.) Meeskond on esitanud ajutise patendi.
PionEari meeskonna liikmed Michael Kreder ja Nicole Black räägivad laval koos USPTO finantsjuhi Anthony Scardinoga pärast Graduate Divisioni kuldmedali võitmist 2018. aasta Collegiate Leiutajate konkursil. (Riiklike leiutajate kuulsuste saal) Üks tänavuse võistluse kohtunikke, Põhja-Carolina osariigi ülikooli biomeditsiiniinsener Frances Ligler, kes on biosensoritega tehtud töö poolest tuntuim, märgib, et PionEar on eriti põnev tänu sellele, kuidas selle tohutu potentsiaal ulatub.
„PionEaril on potentsiaali parandada laste kuulmist kriitilisel ajal nende kõne arendamisel ohutumalt, vähendada korduvate operatsioonide valu ja kulusid ning märkimisväärselt vähendada kuulmekihi armistumist koos sellega kaasneva püsiva kuulmislangusega, ” räägib Ligler.
Ligler loodab, et PionEar liigub kiiresti järgmistes turustamisetappides, sealhulgas patentide kinnitamine, nende materjalide FDA kinnitamine, loomkatsed ja kliinilised uuringud. "Mida varem, seda parem, " ütleb ta.
Black ütleb, et meeskond jätkab seadme kujunduse täiustamist 3D-printimismeetodite abil Harvardi professori Jennifer Lewise bioenergeetika laboris. Varsti hakkavad nad proovima oma kõrvatorusid otolarüngoloogia tähelaboris - tšintšiljas -, mis tänu näriliste suurtele kõrvadele ja sarnasele vastuvõtlikkusele kõrvapõletikule on olnud oluliseks vahendiks inimeste sise- ja keskkõrvahaiguste uurimisel aastakümneid. Remenschneider juhib loomkatseid Massachusettsi silma- ja kõrvahaiglas. Käimas on kommertsialiseerimisprojektid Wyssi Bioloogiliselt Inspireeritud Inseneriteaduse Instituudiga Aizenbergi labori tehnoloogiaarenduse teaduri Ida Pavlichenko juhendamisel, kes on ühtlasi ka PionEari bio-inspireeritud aspektide kaas-leiutaja.
"Kaks leiutajat uurisid oma lahendust probleemile, mis põhjustab paljude aspektide tõttu laialdast kannatust, eriti laste käes, " ütleb Ligler. "Keegi pole varem midagi sellist teinud."
