Al Massachusetts Eye and Ear, un ospedale universitario di Harvard a Boston, a Nicole Black e ai suoi compagni di classe fu detto di guardarsi nelle orecchie a vicenda usando un otoscopio per illuminare i loro timpani. I coetanei di Black hanno notato che aveva un tessuto cicatriziale nel condotto uditivo e gli istruttori hanno suggerito che le cicatrici potrebbero essere state causate da tubi auricolari che sono stati inseriti chirurgicamente durante la sua infanzia per curare le infezioni ricorrenti dell'orecchio.
Poiché all'epoca Black era un bambino, non ricorda esattamente com'era la sua esperienza con i tubi auricolari, che sono piccoli cilindri inseriti nel timpano per mantenere l'orecchio adeguatamente ventilato e prevenire intasamenti dolorosi. Tuttavia, hanno lasciato un segno indelebile e un giorno questo tessuto cicatriziale potrebbe causare la perdita dell'udito. Intorno a questo esercizio di classe, il nipote di Black ha subito un intervento chirurgico al tubo dell'orecchio. In effetti, molti altri membri del team avevano anche persone care a cui venivano impiantati i tubi. Con suo nipote in mente, Black era motivata a cercare una soluzione, in modo che forse in futuro, ottenere infezioni alle orecchie in giovane età non dovesse avere un impatto su una persona per tutta la vita.
Black, un dottorando in bioingegneria dell'Università di Harvard, aveva lavorato con chirurghi del Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider ed Elliott Kozin, su altri dispositivi per l'orecchio medio. Dopo aver deciso di studiare i modi per migliorare i tubi auricolari, hanno collaborato con i ricercatori di scienza dei materiali di Harvard per creare PionEar, un piccolo tubo auricolare stampato in 3D di ispirazione bio che riduce le cicatrici e la necessità di ripetuti interventi chirurgici di inserzione.
Black e suo nipote non sono anomalie: circa l'80% dei bambini avrà almeno un orecchio quando avrà tre anni e queste infezioni rappresentano almeno 25 milioni di visite mediche ogni anno. La maggior parte delle infezioni può essere trattata con antibiotici, per via orale o attraverso gocce auricolari. Ma gli antibiotici orali usati per l'intera gamma di infezioni batteriche che i bambini incontrano hanno avuto una serie di effetti collaterali, che rappresentano quasi 70.000 visite al pronto soccorso all'anno e sono spesso abusati. I Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie stimano che il 30 percento di tutti gli antibiotici prescritti in cliniche, studi medici e pronto soccorso non è necessario. Le gocce auricolari possono essere efficaci, ma per i casi con complicazioni o orecchie particolarmente intasate, ottenere le gocce nell'orecchio medio è una sfida. Quasi 700.000 bambini di età inferiore ai 15 anni, che sono inclini a infezioni alle orecchie che ritornano ancora e ancora, vengono curati negli Stati Uniti ogni anno con tubi auricolari impiantati chirurgicamente, secondo l'American Academy of Otolaryngology — Head and Neck Surgery.
I tubi dell'orecchio spesso si intasano (a sinistra) o si estrudono troppo rapidamente (al centro). I progetti attuali limitano anche la capacità di trattare le infezioni dell'orecchio con gocce auricolari (a destra). (PionEar) Tuttavia, anche i tubi auricolari non sono una soluzione infallibile. In definitiva, il loro scopo è quello di ventilare l'orecchio al fine di ridurre il dolore, non di curare effettivamente l'infezione. Storicamente, i tubi auricolari sono stati creati da medici - non ingegneri o fisici - presumibilmente in un pizzico per fornire sollievo ai loro pazienti. Il primo tubo dell'orecchio fu creato nel 1845 dagli scienziati tedeschi Gustav Lincke e Martell Frank, e circa una mezza dozzina di modelli furono introdotti nel 1875 utilizzando materiali diversi, tra cui oro, argento, alluminio e gomma. Negli anni '50, Beverly Armstrong introdusse il primo tubo dentellato a base di vinile che è ancora la base di ciò che viene usato oggi. Ci sono stati pochi cambiamenti al design originale.
Black e il team hanno scoperto che quando i medici prescrivono gocce auricolari a pazienti con tubi auricolari, spesso le gocce in realtà non raggiungono l'orecchio medio con i tubi in, e invece finiscono per raggrupparsi sulla superficie del tubo. Inoltre, i tubi spesso cadono troppo presto, il che rimanda i bambini in ospedale per un'altra operazione, che può diventare invasiva, costosa ed estenuante.
"Abbiamo scoperto che quasi il 40 percento dei tubi auricolari finisce per fallire in un modo o nell'altro", afferma Black, che sta anche perseguendo un minorenne nel campo del linguaggio e dell'udito nelle bioscienze e nella tecnologia. “Quindi questi ragazzi finiscono per tornare in sala operatoria. Ciò è particolarmente preoccupante per me, sapendo che mio nipote potrebbe affrontarlo. "
Trovare una soluzione che acceleri il processo di guarigione piuttosto che prolungarlo è vitale, specialmente per i bambini che stanno sviluppando il linguaggio. Quando le infezioni dell'orecchio sono davvero gravi e il muco si accumula nell'orecchio medio, i bambini "fondamentalmente sentono di essere sott'acqua", afferma Black. Se non riescono a sentire la propria voce o i propri genitori, ciò può avere un impatto enorme sullo sviluppo del linguaggio.
PionEar risolve questi problemi in diversi modi. Innanzitutto, PionEar è più piccolo di un tradizionale tubo auricolare e si adatta perfettamente all'orecchio medio al fine di ridurre le cicatrici e il rischio che cadano presto. In secondo luogo, il dispositivo riduce la possibilità di infezione batterica e ulteriori intasamenti. Infine, la geometria dei tubi auricolari PionEar consente all'accumulo di muco di defluire dall'orecchio e la medicina scorre nell'orecchio medio e tratta efficacemente un'infezione.
"Un componente chiave della novità di questa invenzione è la combinazione di questi effetti in un singolo dispositivo, il che è piuttosto impegnativo", afferma Michael Kreder, un co-inventore di PionEar e un dottorando in fisica applicata che lavora nella biomeccanica della professoressa Joanna Aizenberg di Harvard laboratorio.
Per raggiungere questo secondo obiettivo, il team ha tratto ispirazione dalle carnivore piante carnivore tropicali della famiglia Nepenthaceae, la maggior parte delle quali sono note per la loro particolare forma simile a un flute di champagne. Piccole nanostrutture porose all'interno della foglia a forma di coppa della maggior parte delle piante carnivore intrappolano l'umidità e lubrificano il bordo della "coppa", in modo che una volta che un insetto gustoso atterra sulla pianta, viene inviato giù e scivola verso la morte in una fossa alla base della pianta piena di enzimi digestivi.
Sfogliando le piante carnivore, Kreder e i suoi colleghi mascherarono il materiale solido sottostante del PionEar con uno strato liquido. Questa costruzione aiuta in definitiva a prevenire la formazione di pellicole batteriche sul tubo dell'orecchio e causare un'infezione persistente.
PionEar ha recentemente vinto il massimo dei premi al Concorso per gli inventori collegiali, ricevendo il premio d'oro del valore di $ 10.000. La National Inventors Hall of Fame organizza il concorso in collaborazione con l'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti. (L'USPTO collabora con Smithsonian.com per supportare storie sull'innovazione presso la Smithsonian Institution e oltre.) Il team ha richiesto un brevetto provvisorio.
I membri del team PionEar Michael Kreder e Nicole Black parlano sul palco con Anthony Scardino, direttore finanziario dell'USPTO, dopo aver vinto la medaglia d'oro alla Graduate Division al Collegiate Inventors Competition 2018. (National Inventors Hall of Fame) Uno dei giudici del concorso di quest'anno, l'ingegnere biomedico Frances Ligler della North Carolina State University, che è meglio conosciuto per il suo lavoro con i biosensori, osserva che PionEar è particolarmente eccitante per via del suo vasto potenziale.
"PionEar ha il potenziale per migliorare l'udito nei bambini in modo più sicuro in un momento critico dello sviluppo del linguaggio, ridurre il dolore e il costo degli interventi chirurgici ripetitivi e ridurre significativamente le cicatrici del timpano con la perdita dell'udito permanente associata", afferma Ligler.
Ligler spera di vedere PionEar muoversi rapidamente attraverso le prossime fasi di commercializzazione, tra cui l'approvazione dei brevetti, l'approvazione della FDA dei loro materiali, i test sugli animali e le prove cliniche. "Prima è, meglio è", dice.
Black afferma che il team continuerà a migliorare il design del dispositivo utilizzando i metodi di stampa 3D nel laboratorio di bioingegneria del professor Jennifer Lewis di Harvard. Presto si sposteranno verso il test dei loro tubi dell'orecchio nell'animale da laboratorio stellare di otorinolaringoiatria, il cincillà, che - grazie alle grandi orecchie del roditore e alla suscettibilità simile alle infezioni dell'orecchio - è stato fondamentale nello studio delle malattie dell'orecchio interno e medio negli esseri umani per decenni. Remenschneider condurrà lo studio sugli animali presso il Massachusetts Eye & Ear Hospital. Sono in corso iniziative di commercializzazione con il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering sotto la guida di Ida Pavlichenko, ricercatrice di sviluppo tecnologico nel laboratorio di Aizenberg che è anche co-inventore strumentale degli aspetti bio-ispirati di PionEar.
"I due inventori hanno esplorato la loro soluzione a un problema che si traduce in sofferenza diffusa, in particolare dei bambini, da molte sfaccettature", afferma Ligler. "Nessuno ha mai fatto nulla di simile prima."
