У Массацхусеттс Еие анд Еар, болници за наставу на Харварду у Бостону, Ницоле Блацк и њеним другарицама је речено да погледају једно у друго уши користећи отоскоп како би осветлили своје бубне зглобове. Блекине вршњакиње примијетиле су да има ожиљак у ушном каналу, а инструктори су претпоставили да ожиљци могу бити узроковани ушним цевима, које су хируршки убачене током њеног детињства, како би лечиле понављајуће упале уха.
Будући да је Блацк у то време била дете, она се не сећа тачно како је изгледало са њеним ушним цевкама, ситним цилиндрима који су убачени у бубну шупљину како би ухо било добро проветрено и спречило болно зачепљење. Али ипак су оставили трајан траг, а једног дана ово ожиљно ткиво могло би довести до губитка слуха. У време ове вежбе, Блекин нећак подвргнут је операцији ушне цеви. У ствари, још неколико чланова тима је имало вољене особе којима су имплантиране епрувете. Имајући на уму свог нећака, Блацк је мотивисан да тражи решење, тако да можда убудуће инфекције уха у младој доби неће морати да утичу на човека цео живот.
Блацк, кандидат за докторанте са биоинжињеринга са Универзитета Харвард, радио је са хирургима у Масачусетсу Еие анд Еар, Аарон Ременсцхнеидер и Еллиотт Козин, на другим уређајима средњег уха. Након што су одлучили да истраже начине побољшања ушних цеви, удружили су се са истраживачима науке о материјалима са Харварда како би створили ПионЕар - малу био-инспирисану ушну цев са 3Д штампом која смањује ожиљке, као и потребу за поновљеним операцијама уметања.
Црна и њен нећак нису аномалије: процењује се да око 80 процената деце има најмање једну инфекцију уха до треће године живота, а ове инфекције представљају најмање 25 милиона лекара годишње. Већина инфекција може се лечити антибиотицима - орално или путем капи за уши. Нађено је да орални антибиотици који се користе за читав низ бактеријских инфекција са којима се деца сусрећу имају низ нежељених дејстава, што чини скоро 70.000 посета хитној служби годишње и често се користи. Центри за контролу и превенцију болести процењују да је 30 одсто свих антибиотика прописаних у клиникама, лекарским ординацијама и хитним случајевима. Капи за ухо могу бити ефикасне, али за случајеве компликација или ушију које су посебно зачепљене, заправо је допирање капи на средње ухо изазов. Скоро 700.000 деце млађих од 15 година, склоних инфекцијама уха које се враћају изнова и изнова, лечи се у Сједињеним Државама сваке године хируршким имплантираним ушним цевима, према америчкој Академији за оториноларингологију - хирургију главе и врата.
Ушне цеви често се зачепе (лево) или се пребрзо извлаче (у средини). Садашњи дизајни такође ограничавају могућност лечења инфекција уха капи за ухо (десно). (ПионЕар) Међутим, ушне цеви такође нису решење које је глупо. Коначно, њихова сврха је прозрачивање уха како би се смањио бол, а не заправо лечење инфекције. Историјски гледано, ушне цеви су створили лекари - не инжењери или физичари - вероватно у прсте да би пружили пацијентима олакшање. Прву ушну цев створили су 1845. немачки научници Густав Линцке и Мартелл Франк, а око 18 десетака модела представљено је до 1875. године користећи различите материјале, укључујући злато, сребро, алуминијум и гуму. 1950-их Беверли Армстронг представио је прву назубљену цев на бази винила која је и данас основа онога што се данас користи. Мало је промена оригиналног дизајна.
Блацк и тим открили су да када лекари прописују капи за ухо пацијентима са ушним цевима, често капљице заправо не дођу до средњег уха заједно са епруветама, уместо тога, на крају се окупе на површини цеви. Штавише, епрувете често испадну прерано, што децу шаље у болницу на још једну операцију, која може постати инвазивна, скупа и исцрпљујућа.
„Открили смо да скоро 40 одсто ушних цеви завршава на један или други начин, “ каже Блек, који такође проводи малолетника у биолошкој науци и технологији говора и слуха. „Тако се та деца завршавају у операцијској сали. Ово ме посебно забрињава јер знам да би се мој нећак могао суочити с тим. "
Проналажење решења које убрзава процес излечења, а не продужење је од виталног значаја, посебно за младу децу која развијају језик. Када су ушне инфекције заиста лоше и накупља се слуз у средњем уху, деца „у основи чују као да су под водом“, каже Црни. Ако не могу да чују сопствени глас или родитеље, то може имати огроман утицај на развој говора.
ПионЕар ове проблеме решава на неколико начина. Прво и најважније, ПионЕар је мањи од традиционалне ушне цеви и добро се уклапа у средње ухо како би се смањио ожиљак и ризик од њиховог раног испадања. Друго, уређај смањује могућност бактеријске инфекције и додатног зачепљења. И на крају, геометрија ПионЕар ушних цеви омогућава накупљању слузи да исцури из уха, а лек да уђе у средње ухо и ефикасно лечи инфекцију.
„Кључна компонента новости овог проналаска је комбинација ових ефеката у једном уређају, што је прилично изазовно“, каже Мицхаел Кредер, ко-проналазач ПионЕар-а и кандидат за примењени доктор физике који ради на биомеханици професорке са Харварда Јоанне Аизенберг лаб.
Да би постигли тај други циљ, тим је црпео инспирацију из месождерких тропских биљака из породице Непентхацеае, од којих је већина позната по свом облику шампањца попут флауте. Ситне порозне наноструктуре у облику шалице листова већине биљака у врчу хватају влагу и подмазују обод „чаше“, тако да једном кад укусни инсект слети на биљку, она се шаље низ клизање и клизање до смрти у јама у подножју биљке препуна пробавних ензима.
Кредер и његове колеге маскирали су ПионЕар-ов темељни чврсти материјал течним слојем. Ова конструкција на крају помаже у спречавању стварања бактеријских филмова на ушној цеви и изазивања трајне инфекције.
ПионЕар је недавно освојио награду на Цоллегиате Инвенторс Цомпетитион, освојивши златну награду у вредности од 10 000 УСД. Кућа славних националног проналазача такмичи се у партнерству са америчким Уредом за патенте и заштитне знакове. (УСПТО партнери са Смитхсониан.цом подржавају приче о иновацијама у Смитхсониан Институцији и шире.) Тим је поднео привремени патент.
Чланови тима ПионЕар Мицхаел Кредер и Ницоле Блацк разговарају на позорници са Антхонијем Сцардином, главним финансијским директором УСПТО-а, након што су освојили златну медаљу Градуате Дивисион на такмичењу Цоллегиате Инвенторс 2018. (Национална дворана славних) Једна од судија овогодишњег такмичења, биомедицинска инжењерка Францес Лиглер са Државног универзитета Северна Каролина, која је најпознатија по свом раду са биосензорима, напомиње да је ПионЕар нарочито узбудљив због начина на који његов огроман потенцијал достиже.
„ПионЕар има потенцијал да безбедније побољша слух код деце у критичном тренутку њиховог говорног развоја, смањи бол и трошкове понављајућих операција и значајно смањи ожиљке бубне шупљине са повезаним трајним губитком слуха“, каже Лиглер.
Лиглер се нада да ће ПионЕар брзо проћи кроз наредне фазе комерцијализације, укључујући одобрење патента, одобрење ФДА за њихове материјале, тестове на животињама и клиничка испитивања. "Што пре, то боље", каже она.
Блацк каже да ће тим наставити да побољшава дизајн уређаја коришћењем метода 3Д штампања у лабораторији за биоинжињеринг професора са Харварда Јеннифер Левис. Ускоро ће кренути ка тестирању ушних епрувета на лабораторијским животињама оториноларингологије, чинчиле, која је - захваљујући великим ушима глодара и сличној подложности инфекцијама уха - била од кључне важности за проучавање болести унутрашњег и средњег уха код људи за деценија. Ременсцхнеидер ће водити студију на животињама у Массацхусеттс болници за очи и ухо. У току су напори за комерцијализацију са Висс Институтом за биолошки инспирисано инжењерство под водством Иде Павлицхенко, истраживачице развоја технологије у лабораторији Аизенберга која је такође инструментални ко-изумитељ биолошки инспирисаних аспеката ПионЕар-а.
„Два проналазача истражила су решење проблема који резултира широком патњом, нарочито деце, из многих аспеката“, каже Лиглер. "Нико раније није учинио нешто слично."
