V Massachusetts Eye and Ear, bolnišnici za poučevanje na Harvardu v Bostonu, so Nicole Black in njenim sošolcem rekli, da si pogledajo v ušesa drug drugega z otoskopom, da osvetlijo ušesa. Black-jevi vrstniki so opazili, da ima brazgotino v ušesnem kanalu, inštruktorji pa trdijo, da so lahko brazgotine povzročile ušesne cevi, ki so jih v otroštvu kirurško vstavili za zdravljenje ponavljajočih se ušesnih okužb.
Ker je bila Črna takrat malček, se ne spomni natančno, kakšna je bila njena izkušnja z ušesnimi cevkami, ki so drobni valji, vstavljeni v ušesno sluznico, da se uho pravilno prezrači in prepreči boleče zamašitve. Toda kljub temu so pustile trajen pečat in nekega dne bi lahko to brazgotinsko tkivo povzročilo izgubo sluha. Približno v času te vadbe je Črničev nečak prestal operacijo ušesne cevi. V resnici je tudi več drugih članov ekipe imelo ljubljene, ki so jim vsadili epruvete. Ker je bil nečak v mislih, je bila Black motivirana za iskanje rešitve, tako da morda v prihodnosti okužbe z ušesi v mladosti ne bodo mogle vplivati na človeka celo življenje.
Black, kandidat za doktorat bioinženiringa s univerze Harvard, je sodeloval s kirurgi iz Massachusettsa Eye and Ear, Aaron Remenschneider in Elliott Kozin, na drugih napravah s srednjim ušesom. Potem ko so se odločili raziskati načine za izboljšanje ušesnih cevi, so se skupaj z raziskovalci materialov s Harvarda ustvarili PionEar - drobna bio-navdihnjena 3D-natisnjena ušesna cev, ki zmanjšuje brazgotine, pa tudi potrebo po ponavljajočih se operacijah vstavljanja.
Black in njen nečak nista anomaliji: po ocenah 80 odstotkov otrok ima vsaj tri leta okužbo ušesa, ko so stari tri leta, in te okužbe predstavljajo vsaj 25 milijonov zdravniških obiskov letno. Večino okužb lahko zdravimo z antibiotiki - peroralno ali z ušesnimi kapljicami. Ugotovljeno je bilo, da imajo peroralni antibiotiki za celo vrsto bakterijskih okužb, s katerimi se srečujejo otroci, številne stranske učinke, ki predstavljajo skoraj 70.000 obiskov v urgentni ambulanti na leto, in jih pogosto uporabljamo. Centri za nadzor in preprečevanje bolezni ocenjujejo, da je 30 odstotkov vseh antibiotikov, ki so predpisani v ambulantah, zdravniških ordinacijah in ER-jih, nepotrebnih. Kapljice za ušesa so lahko učinkovite, toda za primere z zapleti ali ušesi, ki so še posebej zamašeni, je dejansko pridobivanje kapljic na srednje uho izziv. Skoraj 700.000 otrok, mlajših od 15 let, ki so nagnjeni k ušesnim okužbam, ki se vračajo znova in znova, se v ZDA vsako leto zdravijo s kirurško vsadenimi ušesnimi cevmi, poroča Ameriška akademija za otolaringologijo - kirurgijo glave in vratu.
Ušesne cevi se pogosto zamašijo (levo) ali se prehitro iztisnejo (srednje). Trenutni modeli prav tako omejujejo možnost zdravljenja ušesnih okužb z ušesnimi kapljicami (desno). (PionEar) Vendar tudi ušesne cevi niso brezhibna rešitev. Navsezadnje je njihov namen prezračevanje ušesa, da bi zmanjšali bolečino, ne pa dejansko okužili okužbe. Zgodovinsko so ušesne cevi ustvarili zdravniki - ne inženirji ali fiziki - verjetno v ščepcu, da bi svojim pacientom olajšali pomoč. Prvo ušesno cev sta leta 1845 ustvarila nemška znanstvenika Gustav Lincke in Martell Frank, do leta 1875 pa je bilo predstavljenih približno pol ducata modelov z različnimi materiali, vključno z zlatom, srebrom, aluminijem in gumo. V petdesetih letih je Beverly Armstrong predstavil prvo zarezano cev na osnovi vinila, ki je še danes osnova tega, kar se danes uporablja. Pri prvotnem dizajnu se je spremenilo malo.
Black in ekipa sta ugotovila, da kadar zdravniki bolnikom z ušesnimi cevkami predpišejo ušesne kapljice, kapljice pogosto ne dosežejo srednjega ušesa skupaj s cevkami v obeh, in namesto tega na koncu združijo na površini cevi. Poleg tega cevi pogosto izpadejo prehitro, kar otroke pošlje nazaj v bolnišnico na novo operacijo, ki lahko postane invazivna, draga in naporna.
"Ugotovili smo, da skoraj 40 odstotkov ušesnih cevi tako ali drugače odpove, " pravi Black, ki prav tako zasleduje mladoletnika na področju govorne in slušne bioznanosti in tehnologije. "Tako se ti otroci končajo nazaj v operacijski sobi. To me še posebej skrbi, ker vem, da se lahko moj nečak s tem spopada. "
Najti rešitev, ki pospeši proces celjenja in ne podaljša, je bistvenega pomena, zlasti za mlade otroke, ki razvijajo jezik. Ko so ušesne okužbe res slabe in se v srednjem ušesu nabira sluz, otroci "v bistvu slišijo, kot da so pod vodo, " pravi Black. Če ne slišijo lastnega glasu ali svojih staršev, lahko to močno vpliva na govorni razvoj.
PionEar te težave obravnava na več načinov. Najprej in predvsem, je PionEar manjši od običajne ušesne cevi in se tesno prilega srednjemu ušesu, da zmanjša brazgotine in tvega, da bodo predčasno izpadli. Drugič, naprava zmanjšuje možnost bakterijske okužbe in dodatne zamašitve. Nazadnje, geometrija ušesnih cevi PionEar omogoča kopičenje sluzi iz ušesa, zdravilo pa teče v srednje uho in učinkovito zdravi okužbo.
"Ključna sestavina novosti tega izuma je kombinacija teh učinkov v eni sami napravi, kar je precej zahtevno, " pravi Michael Kreder, so-izumitelj PionEar in kandidat za doktorat uporabne fizike, ki deluje pri biomehaniki profesorja Harvarda Joanne Aizenberg laboratorij.
Za dosego tega drugega cilja je ekipa črpala navdih iz mesojedih tropskih vrčkov iz družine Nepenthaceae, od katerih je večina znana po značilni obliki šampanjca v obliki flavte. Drobne porozne nanostrukture znotraj skodelice v večini rastlinskih vrčkov lovijo vlago in mazajo rob "skodelice", tako da ko okusna žuželka pristane na rastlini, jo pošljejo navzdol in drsijo navzdol do svoje smrti v jama na dnu rastline, napolnjena s prebavnimi encimi.
Kreder in njegovi sodelavci so, odstranivši rastline iz vrčkov, maskirali temeljni trden material PionEarja s tekočo plastjo. Ta konstrukcija na koncu pomaga preprečiti nastanek bakterijskih filmov na ušesni cevi in povzroči trdovratno okužbo.
PionEar je pred kratkim osvojil najvišja priznanja na tekmovanju Collegiate Inventors in prejel zlato priznanje v vrednosti 10.000 dolarjev. Nacionalna dvorana slavnih izumiteljev nateča konkurenco v sodelovanju z ameriškim uradom za patente in blagovne znamke. (Ameriški partnerji USPTO s Smithsonian.com sodelujejo pri podpori zgodb o inovacijah v Smithsonian instituciji in izven nje.) Ekipa je vložila začasni patent.
Člani ekipe PionEar Michael Kreder in Nicole Black se na odru pogovarjajo z Anthonyjem Scardinom, glavnim finančnim direktorjem USPTO, potem ko so na tekmovanju Collegiate Inventors 2018 osvojili zlato medaljo Graduate Division. (Dvorana slavnih nacionalnih izumiteljev) Ena izmed sodnikov letošnjega tekmovanja, biomedicinska inženirka Frances Ligler z Državne univerze v Severni Karolini, ki je najbolj znana po svojem delu z biosenzorji, ugotavlja, da je PionEar še posebej navdušujoč zaradi tega, kako sega njegov velik potencial.
"PionEar ima potencial za boljše varstvo sluha pri otrocih v kritičnem času njihovega govornega razvoja, zmanjšanje bolečine in stroškov ponavljajočih se operacij ter znatno zmanjšanje brazgotine na ušesnem ušesu in s tem povezano trajno izgubo sluha, " pravi Liglerjeva.
Ligler upa, da bo PionEar hitro prešel skozi naslednje faze komercializacije, vključno z odobritvijo patenta, odobritvijo FDA njihovih materialov, testi na živalih in kliničnimi preskušanji. "Prej bolje, " pravi.
Black pravi, da bo skupina še naprej izboljševala zasnovo naprave s pomočjo 3D-tiskanja v laboratoriju za bioinženirstvo profesorja Harvarda profesorice Jennifer Lewis. Kmalu se bodo pomerili proti testiranju ušesnih cevi na zvezdni laboratoriji otolaringologije, činčila, ki je - zaradi velikih ušes glodavcev in podobne dovzetnosti za ušesne okužbe - pripomogla k preučevanju bolezni notranjega in srednjega ušesa pri ljudeh za desetletja. Remenschneider bo vodil študijo na živalih v bolnišnici za oči in ušesa v Massachusettsu. Pri Inštitutu za biološko navdihnjeno inženirstvo Wyss pod vodstvom Ide Pavlichenko, raziskovalke za razvoj tehnologije v laboratoriju Aizenberg, ki je tudi instrumentalni soizumitelj bioloških navdihov PionEar, potekajo tržna prizadevanja.
"Oba izumitelja sta raziskovala rešitev problema, ki ima za posledico široko trpljenje, zlasti otrok, iz številnih vidikov, " pravi Ligler. "Še nihče tega ni storil."
