В Массачусетском глазу и ухе, Гарвардской больнице в Бостоне, Николь Блэк и ее одноклассникам сказали заглянуть друг другу в уши, используя отоскоп, чтобы осветить их барабанные перепонки. Сверстники Блэк заметили, что у нее была рубцовая ткань в ушном канале, и инструкторы предположили, что рубцы могли быть вызваны ушными трубками, которые были хирургически вставлены в детстве для лечения рецидивирующих ушных инфекций.
Поскольку Блэк была малышом в то время, она точно не помнит, каково было ее собственное переживание с ушными трубками, которые представляют собой крошечные цилиндры, вставленные в барабанную перепонку для поддержания надлежащей вентиляции уха и предотвращения болезненного засорения. Но все же они оставили неизгладимый след, и однажды эта рубцовая ткань могла привести к потере слуха. Примерно во время этого урока племяннику Блэка сделали операцию на ушной трубке. На самом деле, у некоторых других членов команды также были близкие, которым имплантировали трубки. Помня о своем племяннике, Блэк была заинтересована в поиске решения, так что, возможно, в будущем заражение ушной инфекцией в молодом возрасте не будет влиять на человека в течение всей жизни.
Блэк, кандидат наук в области биоинженерии в Гарвардском университете, работал с хирургами в Массачусетском глазу и ухе, Аароном Ременшнайдером и Эллиоттом Козином на других устройствах среднего уха. Решив изучить способы улучшения ушных трубок, они объединились с исследователями материаловедения из Гарварда, чтобы создать PionEar - крошечную био-вдохновленную ушную трубку с 3D-печатью, которая уменьшает образование рубцов, а также необходимость повторной вставной операции.
Блэк и ее племянник не являются аномалиями: к 80 годам примерно у 80 процентов детей будет по крайней мере одна инфекция уха, и на эти инфекции приходится по меньшей мере 25 миллионов посещений врача ежегодно. Большинство инфекций можно лечить с помощью антибиотиков - перорально или через ушные капли. Однако было обнаружено, что оральные антибиотики, применяемые для всего спектра бактериальных инфекций, с которыми сталкиваются дети, имеют множество побочных эффектов, на которые приходится почти 70 000 посещений отделения неотложной помощи в год, и часто используются слишком часто. По оценкам Центров по контролю и профилактике заболеваний, 30 процентов всех антибиотиков, прописанных в клиниках, кабинетах врачей и в отделениях неотложной помощи, не нужны. Капли для ушей могут быть эффективными, но для случаев с осложнениями или ушами, которые особенно забиты, на самом деле получить капли в среднее ухо является проблемой. По данным Американской академии отоларингологии - хирургии головы и шеи, в Соединенных Штатах ежегодно получают 700 000 детей в возрасте до 15 лет, которые подвержены ушным инфекциям, которые возвращаются снова и снова.
Ушные трубки часто забиваются (слева) или выдавливаются слишком быстро (посередине). Современные конструкции также ограничивают возможность лечения ушных инфекций ушными каплями (справа). (PionEar) Однако, ушные трубки также не являются надежным решением. В конечном счете, их цель - проветрить ухо, чтобы уменьшить боль, а не лечить инфекцию. Исторически, ушные трубки создавались врачами, а не инженерами или физиками - предположительно в крайнем случае, чтобы обеспечить своим пациентам облегчение. Первая ушная трубка была создана в 1845 году немецкими учеными Густавом Линке и Мартеллом Франком, и к 1875 году было представлено около полудюжины моделей с использованием различных материалов, включая золото, серебро, алюминий и резину. В 1950-х годах Беверли Армстронг представила первую трубку на виниловой основе с надрезом, которая до сих пор является основой того, что используется сегодня. Там было мало изменений в оригинальном дизайне.
Блэк и команда обнаружили, что, когда врачи назначают ушные капли пациентам с ушными трубками, часто капли фактически не достигают среднего уха с трубками в них, а вместо этого в конечном итоге объединяются на поверхности трубки. Более того, трубки часто выпадают слишком рано, что отправляет детей обратно в больницу для другой операции, которая может стать инвазивной, дорогой и утомительной.
«Мы обнаружили, что почти 40 процентов ушных трубок так или иначе выходят из строя», - говорит Блэк, который также преследует несовершеннолетнего в области речи и слуха, биологических наук и технологий. «Таким образом, эти дети в конечном итоге возвращаются в операционную. Это особенно важно для меня, зная, что мой племянник может с этим столкнуться.
Поиск решения, которое ускоряет процесс заживления, а не продлевает его, жизненно важно, особенно для маленьких детей, которые развивают язык. Когда ушные инфекции действительно тяжелые, а в среднем ухе скопилась слизь, дети «в основном слышат, как будто они под водой», - говорит Блэк. Если они не могут слышать свой собственный голос или своих родителей, это может оказать огромное влияние на развитие речи.
PionEar решает эти проблемы несколькими способами. Прежде всего, PionEar меньше традиционной ушной трубки и плотно прилегает к среднему уху, чтобы уменьшить образование рубцов и риск их преждевременного выпадения. Во-вторых, устройство снижает вероятность бактериальной инфекции и дополнительного засорения. Наконец, геометрия ушных трубок PionEar позволяет скоплению слизи вытекать из уха, а лекарство - в среднее ухо и эффективно лечить инфекцию.
«Ключевым компонентом новизны этого изобретения является сочетание этих эффектов в одном устройстве, что является довольно сложной задачей», - говорит Майкл Кредер, соавтор PionEar и кандидат наук по прикладной физике, работающий в биомеханике профессора Гарвардского университета Джоанны Айзенберг. лаборатория
Для достижения этой второй цели команда черпала вдохновение в плотоядных растениях тропического кувшина из семейства Nepenthaceae, большинство из которых известны своей характерной формой флейты шампанского. Крошечные пористые наноструктуры внутри чашеобразного листа большинства растений кувшина улавливают влагу и смазывают край «чашки», так что как только вкусное насекомое приземляется на растение, оно спускается с места на место и гибнет яма у основания растения, заполненная пищеварительными ферментами.
Раздражая растения кувшина, Кредер и его коллеги замаскировали нижележащий твердый материал PionEar жидким слоем. Эта конструкция, в конечном счете, помогает предотвратить образование бактериальных пленок на ушной трубке и вызвать постоянную инфекцию.
PionEar недавно завоевал высшие награды в конкурсе Collegiate Inventors, получив золотую награду в размере 10 000 долларов. Национальный Зал Славы Изобретателей объявляет конкурс в партнерстве с Бюро по патентам и товарным знакам США. (USPTO сотрудничает с Smithsonian.com для поддержки историй об инновациях в Смитсоновском институте и за его пределами.) Команда подала заявку на предварительный патент.
Члены команды PionEar Майкл Кредер и Николь Блэк разговаривают на сцене с Энтони Скардино, главным финансовым директором USPTO, после того, как выиграли золотую медаль Отдела выпускников на Конкурсе изобретателей среди студентов 2018 года. (Национальный зал славы изобретателей) Одна из судей этого года, инженер-биомедицинка Фрэнсис Лиглер из Университета штата Северная Каролина, которая наиболее известна своей работой с биосенсорами, отмечает, что PionEar особенно впечатляет из-за того, что его огромный потенциал достигает.
«PionEar обладает потенциалом для более безопасного улучшения слуха у детей в критическое время развития их речи, уменьшения боли и стоимости повторных операций и значительного уменьшения рубцевания барабанной перепонки с соответствующей постоянной потерей слуха», - говорит Лиглер.
Лиглер надеется, что PionEar быстро пройдет через следующие этапы коммерциализации, включая одобрение патентов, одобрение FDA их материалов, испытания на животных и клинические испытания. «Чем скорее, тем лучше», - говорит она.
Блэк говорит, что команда продолжит совершенствовать дизайн устройства, используя методы 3D-печати в биоинженерной лаборатории профессора Гарварда Дженнифер Льюис. Вскоре они перейдут к тестированию своих ушных трубок на звёздном лабораторном животном отоларингологии - шиншилле, которое - благодаря большим ушам грызуна и подобной восприимчивости к ушным инфекциям - способствовало изучению заболеваний внутреннего и среднего уха у людей для десятилетия. Ременшнайдер возглавит исследование на животных в больнице для глаз и ушей штата Массачусетс. Усилия по коммерциализации ведутся совместно с Институтом биологического вдохновения Wyss под руководством Иды Павличенко, исследователя по разработке технологий в лаборатории Айзенберга, которая также является одним из изобретателей био-вдохновленных аспектов PionEar.
«Два изобретателя исследовали свое решение проблемы, которая приводит к широко распространенным страданиям, особенно детям, с разных сторон», - говорит Лиглер. «Никто не делал ничего подобного раньше».
