Massachusetts Eye and Ear -sarjassa, Bostonin Harvardin opetussairaalassa, Nicole Blackin ja luokkatovereidensa käskettiin katsomaan toistensa korviin käyttämällä otoskooppia korvakorun valaistamiseen. Blackin vertaiskäyttäjät huomasivat, että hänellä oli arpikudos korvakanavassa, ja ohjaajat ehdottivat, että arpien muodostuminen voi johtua korvaputkista, jotka asetettiin hänen lapsuudestaan kirurgisesti toistuvien korvainfektioiden hoitamiseksi.
Koska Musta oli tuolloin taaperoinen, hän ei muista tarkalleen, millainen hänen oma kokemus oli korvaputkista, jotka ovat pieniä sylintereitä, jotka on asetettu korvakoruun pitääkseen korvan asianmukaisesti tuuletettuna ja estäen kivuliaita tukkeumia. Mutta silti he jättivät pysyvän jäljen, ja yhtenä päivänä tämä arpikudos voi johtaa kuulon menetykseen. Tämän luokan harjoituksen ajankohtana Blackin veljenpoika sai korvan putkileikkauksen. Itse asiassa useilla muillakin ryhmän jäsenillä oli myös rakkaitaan, jotka saivat putket implantoitumaan. Veljenpoikansa mielessä Musta oli motivoitunut etsimään ratkaisua, jotta ehkä tulevaisuudessa korvainfektioiden saaminen nuorena ei tarvitse vaikuttaa ihmiseen koko elämän ajan.
Black, Harvardin yliopiston biotekniikan tohtorikoulutettava ehdokas, oli työskennellyt Massachusetts Eye and Ear -kirurgien, Aaron Remenschneiderin ja Elliott Kozinin kanssa muiden keski korvakorulaitteiden kanssa. Päätettyään tutkia tapoja parantaa korvaputket, he ryhtyivät yhteistyössä Harvardin materiaalitieteilijöiden kanssa luomaan PionEar - pienen bio-inspiroidun, 3D-tulostetun korvaputken, joka vähentää arpia ja toistuvan lisäysleikkauksen tarvetta.
Musta ja hänen veljenpoikansa eivät ole poikkeavuuksia: arviolta 80 prosentilla lapsista on ainakin yksi korvainfektio kolmevuotiaana mennessä, ja näiden infektioiden osuus on vähintään 25 miljoonaa lääkärikäyntiä vuodessa. Suurinta osaa infektioista voidaan hoitaa antibiooteilla - joko suun kautta tai korvapisaran kautta. Mutta suun kautta otettavien antibioottien, joita käytetään kaikissa bakteeritartunnissa, joita lapset kohtaavat, on todettu olevan joukko sivuvaikutuksia, joiden osuus on lähes 70 000 päivystyspoliklinikalle vuodessa, ja niitä käytetään usein liikaa. Tautien torjunta- ja ehkäisykeskukset arvioivat, että 30 prosenttia kaikista klinikoissa, lääkärin vastaanotolla ja ER: ssä määrätyistä antibiooteista on tarpeeton. Korvapisarat voivat olla tehokkaita, mutta tapauksissa, joissa on komplikaatioita tai korvia, jotka ovat erityisen tukkeutuneet, tippujen saaminen keskikorvaan on haaste. American Academy of Oryryrynology - pään- ja niskakirurgia - mukaan lähes 700 000 alle 15-vuotiasta lasta, jotka ovat alttiita toistuvasti tuleville korvainfektioille, hoidetaan Yhdysvalloissa vuosittain kirurgisilla implantoiduilla korvaputkilla.
Korvaputket tukkeutuvat usein (vasen) tai puristuvat liian nopeasti (keskeltä). Nykyiset mallit rajoittavat myös kykyä hoitaa korvainfektioita korvan tippoilla (oikealla). (PionEar) Korvaputket eivät kuitenkaan ole myöskään tyhjävarma ratkaisu. Viime kädessä heidän tarkoituksenaan on korvan tuuletus kivun vähentämiseksi, eikä infektion tosiasialliseksi hoitamiseksi. Historiallisesti lääkärit - eivät insinöörit tai fyysikot - ovat luoneet korvaputket oletettavasti hyppysellisesti helpottamaan potilaitaan. Ensimmäisen korvaputken loivat saksalaiset tutkijat Gustav Lincke ja Martell Frank vuonna 1845, ja noin puoli tusinaa mallia otettiin käyttöön vuoteen 1875 mennessä käyttäen erilaisia materiaaleja, kuten kultaa, hopeaa, alumiinia ja kumia. 1950-luvulla Beverly Armstrong esitteli ensimmäisen lovetun vinyylipohjaisen putken, joka on edelleen nykypäivän käytön perusta. Alkuperäiseen malliin ei ole tehty juurikaan muutosta.
Musta ja joukkue havaitsivat, että kun lääkärit määräävät korvakorvat potilaille, joilla on korvaputket, tipat eivät useinkaan päädy keskikorvaan kummankaan putken kanssa ja päätyvät sen sijaan yhdistämään putken pinnalle. Lisäksi putket putoavat usein liian aikaisin, mikä lähettää lapset takaisin sairaalaan toista leikkausta varten, joka voi tulla invasiiviseksi, kalliiksi ja uuvuttavaksi.
"Huomasimme, että melkein 40 prosenttia korvaputkista epäonnistuu tavalla tai toisella", sanoo Black, joka harjoittaa myös alaikäistä puhe- ja kuuloteknologian ja tekniikan aloilla. Joten nämä lapset päätyvät takaisin takaisin leikkaussaliin. Tämä on erityisen huolestuttavaa minulle, kun tiedän, että veljenpoikani voi kohdata tämän. "
On ratkaisevan tärkeää löytää ratkaisu, joka nopeuttaa paranemisprosessia sen jatkamisen sijaan, etenkin kielille kehittyvien nuorten lasten kannalta. Kun korvainfektiot ovat todella huonoja ja lima on kertynyt välikorvaan, lapset ”kuulevat periaatteessa kuin he olisivat vedenalaisia”, sanoo Musta. Jos he eivät kuule omaa tai vanhempiensa ääntä, sillä voi olla valtava vaikutus puheen kehitykseen.
PionEar käsittelee näitä asioita monin tavoin. Ensinnäkin, PionEar on pienempi kuin perinteinen korvaputki ja sopii tiukasti keskikorvaan, jotta voidaan vähentää arpia ja riskiä, että ne putoavat aikaisin. Toiseksi laite vähentää bakteeri-infektioiden mahdollisuutta ja lisää tukkeutumista. Viimeiseksi, PionEar-korvaputkien geometria antaa lian kerääntyä valua pois korvasta ja lääke virtaa keskikorvaan ja hoitaa tehokkaasti infektiota.
"Tämän keksinnön uutuuden avainkomponentti on näiden vaikutusten yhdistäminen yhdessä laitteessa, mikä on melko haastavaa", sanoo Michael Kreder, PionEar-yhteistyön keksijä ja soveltuvan fysiikan tohtorikoulutettava, joka työskentelee Harvardin professori Joanna Aizenbergin biomekaniikassa. lab.
Toisen tavoitteen saavuttamiseksi joukkue vetosi inspiraatiota Nepenthaceae- sukuun kuuluvista lihansyöjäisistä trooppisista ruukkukasveista, joista suurin osa tunnetaan erottuvista samppanjahuilunmuotoisista muodoistaan. Pienet huokoiset nanorakenteet useimpien syöttäjäkasvien kuppimaisessa lehdessä vangitsevat kosteuden ja voitelevat "kupin reunan" siten, että kun maukas hyönteinen laskeutuu kasvelle, se lähetetään alas liukumäellä kuolemaansa kuoppa kasvin juuressa täynnä ruuansulatusentsyymejä.
Kreder ja hänen kollegansa peittivät syöttäjäkasvien reunustamalla PionEarin taustalla olevan kiinteän materiaalin nestekerroksella. Tämä rakenne auttaa viime kädessä estämään bakteerikalvojen muodostumisen korvaputkeen ja aiheuttavan jatkuvaa infektiota.
PionEar voitti äskettäin korkeimmat kunnianosoitukset Collegiate keksijöiden kilpailussa ja sai kultapalkinnon, jonka arvo oli 10 000 dollaria. Kansallisten keksijöiden Hall of Fame julkaisee kilpailun yhteistyössä Yhdysvaltojen patentti- ja tavaramerkkiviraston kanssa. (USPTO tekee yhteistyötä Smithsonian.com-sivuston kanssa tukeakseen innovaatiotarinoita Smithsonian-instituutiossa ja sen ulkopuolella.) Ryhmä on jättänyt väliaikaisen patentin.
PionEar-tiimin jäsenet Michael Kreder ja Nicole Black puhuvat lavalla USPTO: n talousjohtaja Anthony Scardinon kanssa voitettuaan Graduate-divisioonan kultamitalin vuoden 2018 Collegiate keksijöiden kilpailussa. (Kansallisten keksijöiden Hall of Fame) Yksi tämän vuoden kilpailun tuomarista, biolääketieteellinen insinööri Frances Ligler Pohjois-Carolinan osavaltiosta, joka tunnetaan parhaiten biosensoreilla tekemästään työstä, toteaa, että PionEar on erityisen jännittävä johtuen siitä, kuinka laaja potentiaali saavuttaa sen.
"PionEarilla on potentiaalia parantaa lasten kuuloa turvallisemmin kriittisellä hetkellä heidän puhekehityksessään, vähentää toistuvien leikkausten kipua ja kustannuksia sekä vähentää merkittävästi korvamunan arpia ja siihen liittyvää pysyvää kuulonmenetystä", Ligler sanoo.
Ligler toivoo saavansa PionEarin liikkumaan nopeasti seuraavissa kaupallistamisvaiheissa, mukaan lukien patenttihyväksyntä, materiaalien FDA-hyväksyntä, eläinkokeet ja kliiniset tutkimukset. "Mitä nopeammin, sitä parempi", hän sanoo.
Musta kertoo, että joukkue jatkaa laitteen suunnittelun parantamista 3D-tulostusmenetelmin Harvardin professori Jennifer Lewisin bioinsinöörilaboratoriossa. Pian he siirtyvät kohti korvaputkiensa testaamista otolaryngologian tähtilaboratorioeläimessä, chinchillassa, joka - jyrsijän suurten korvien ja samanlaisen alttiuden aiheuttama korvainfektioille ansiosta - on ollut avuksi tutkimalla ihmisten sisä- ja keskikorvan sairauksia vuosikymmeniä. Remenschneider johtaa eläintutkimusta Massachusetts Eye & Ear -sairaalassa. Kaupallistamistoimia ollaan tekemässä Wyssin biologisesti inspiroidun tekniikan instituutin kanssa Aizenbergin laboratorion tekniikan kehittämistutkijan Ida Pavlichenkon ohjauksessa. Hän on myös PionEarin bio-inspiroimien näkökohtien instrumentti-keksijä.
"Molemmat keksijät etsivät ratkaisuaan ongelmaan, joka johtaa laajalle levinneeseen, etenkin lasten, kärsimykseen monista puolista", Ligler sanoo. "Kukaan ei ole tehnyt mitään tällaista aikaisemmin."
