In Massachusetts Eye and Ear, einem Harvard-Lehrkrankenhaus in Boston, wurde Nicole Black und ihren Klassenkameraden gesagt, sie sollten sich gegenseitig mit einem Otoskop ins Ohr schauen, um ihr Trommelfell zu beleuchten. Blacks Kollegen bemerkten, dass sie Narbengewebe im Gehörgang hatte, und die Ausbilder schlugen vor, dass die Narben möglicherweise durch Ohrschläuche verursacht wurden, die während ihrer Kindheit chirurgisch eingesetzt wurden, um wiederkehrende Ohrinfektionen zu behandeln.
Da Black zu dieser Zeit ein Kleinkind war, kann sie sich nicht genau an ihre eigenen Erfahrungen mit Ohrschläuchen erinnern, bei denen es sich um winzige Zylinder handelt, die in das Trommelfell eingeführt werden, um eine gute Belüftung des Ohrs zu gewährleisten und schmerzhafte Verstopfungen zu vermeiden. Trotzdem hinterließen sie bleibende Spuren, und eines Tages könnte dieses Narbengewebe zu Hörverlust führen. Ungefähr zur Zeit dieser Klassenübung unterzog sich Blacks Neffe einer Ohrschlauchoperation. Tatsächlich hatten einige andere Teammitglieder auch Angehörige, denen Schläuche implantiert wurden. Mit Blick auf ihren Neffen war Black motiviert, nach einer Lösung zu suchen, damit möglicherweise in Zukunft Ohrenentzündungen in jungen Jahren keinen Menschen ein Leben lang betreffen müssen.
Black, ein Doktorand der Harvard-Universität für Bioingenieurwissenschaften, hatte mit den Chirurgen von Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider und Elliott Kozin, an anderen Mittelohrgeräten gearbeitet. Nachdem sie sich entschieden hatten, Möglichkeiten zur Verbesserung von Ohrschläuchen zu untersuchen, entwickelten sie gemeinsam mit Materialwissenschaftlern aus Harvard PionEar - einen winzigen, bioinspirierten, 3D-gedruckten Ohrschlauch, der die Narbenbildung und die Notwendigkeit wiederholter Einführoperationen verringert.
Black und ihr Neffe sind keine Anomalien: Schätzungsweise 80 Prozent der Kinder leiden im Alter von drei Jahren an mindestens einer Ohrentzündung, und diese Infektionen verursachen jährlich mindestens 25 Millionen Arztbesuche. Die meisten Infektionen können mit Antibiotika behandelt werden - entweder oral oder über Ohrentropfen. Es wurde jedoch festgestellt, dass orale Antibiotika, die für die gesamte Bandbreite der bakteriellen Infektionen bei Kindern eingesetzt werden, eine Vielzahl von Nebenwirkungen haben, die fast 70.000 Notaufnahmen pro Jahr ausmachen, und häufig überbeansprucht werden. Die Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten schätzen, dass 30 Prozent aller Antibiotika, die in Kliniken, Arztpraxen und Notaufnahmen verschrieben werden, unnötig sind. Ohrentropfen können effektiv sein, aber in Fällen mit Komplikationen oder Ohren, die besonders verstopft sind, ist es eine Herausforderung, die Tropfen tatsächlich an das Mittelohr zu bringen. Fast 700.000 Kinder unter 15 Jahren, die anfällig für immer wieder auftretende Ohrenentzündungen sind, werden in den USA nach Angaben der American Academy of Otolaryngology - Head and Neck Surgery - jedes Jahr mit chirurgisch implantierten Ohrschläuchen behandelt.
Ohrschläuche verstopfen häufig (links) oder extrudieren zu schnell (Mitte). Aktuelle Designs beschränken auch die Möglichkeit, Ohrinfektionen mit Ohrentropfen zu behandeln (rechts). (PionEar) Ohrhörer sind jedoch auch keine kinderleichte Lösung. Letztendlich besteht ihr Zweck darin, das Ohr zu beatmen, um die Schmerzen zu lindern, und nicht, um die Infektion tatsächlich zu behandeln. In der Vergangenheit wurden Ohrrohre von Ärzten - nicht von Ingenieuren oder Physikern - vermutlich zur Not angefertigt, um den Patienten Linderung zu verschaffen. Die erste Ohrmuschel wurde 1845 von den deutschen Wissenschaftlern Gustav Lincke und Martell Frank hergestellt, und bis 1875 wurden etwa ein halbes Dutzend Modelle aus verschiedenen Materialien eingeführt, darunter Gold, Silber, Aluminium und Gummi. In den 1950er Jahren führte Beverly Armstrong die erste gekerbte Röhre auf Vinylbasis ein, die immer noch die Grundlage für die heutige Verwendung darstellt. Das ursprüngliche Design wurde kaum verändert.
Black und das Team stellten fest, dass, wenn Ärzte Patienten mit Schläuchen Ohrentropfen verschreiben, die Tropfen häufig nicht tatsächlich mit den Schläuchen in das Mittelohr gelangen und sich stattdessen an der Oberfläche des Schlauchs ansammeln. Darüber hinaus fallen die Schläuche häufig zu früh aus, wodurch die Kinder für eine weitere Operation ins Krankenhaus zurückgebracht werden. Dies kann invasiv, teuer und anstrengend werden.
"Wir haben festgestellt, dass fast 40 Prozent der Ohrhörer auf die eine oder andere Weise versagen", sagt Black, der auch einen Nebenfacherwerb in den Bereichen Sprach- und Hörwissenschaften sowie Technologie ausübt. „Also gehen diese Kinder zurück in den Operationssaal. Dies ist besonders besorgniserregend für mich, weil ich weiß, dass mein Neffe sich dem stellen könnte. “
Eine Lösung zu finden, die den Heilungsprozess beschleunigt, anstatt ihn zu verlängern, ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere für junge Kinder, die eine Sprache entwickeln. Wenn Ohrenentzündungen wirklich schlimm sind und sich Schleim im Mittelohr ansammelt, hören Kinder „im Grunde genommen, als wären sie unter Wasser“, sagt Black. Wenn sie ihre eigene Stimme oder ihre Eltern nicht hören können, kann dies einen großen Einfluss auf die Sprachentwicklung haben.
PionEar geht diese Probleme auf verschiedene Arten an. In erster Linie ist PionEar kleiner als ein herkömmlicher Ohrschlauch und passt genau in das Mittelohr, um Narbenbildung und das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls zu verringern. Zweitens verringert das Gerät das Risiko einer bakteriellen Infektion und einer zusätzlichen Verstopfung. Schließlich ermöglicht die Geometrie der PionEar-Ohrrohre, dass Schleimansammlungen aus dem Ohr abfließen und Medikamente in das Mittelohr fließen und eine Infektion wirksam behandeln.
"Eine Schlüsselkomponente der Neuheit dieser Erfindung ist die Kombination dieser Effekte in einem einzigen Gerät, was eine große Herausforderung darstellt", sagt Michael Kreder, Miterfinder von PionEar und Doktorand für angewandte Physik, der an der Biomechanik von Harvard-Professor Joanna Aizenberg arbeitet Labor.
Um dieses zweite Ziel zu erreichen, ließ sich das Team von den fleischfressenden tropischen Kannenpflanzen der Nepenthaceae- Familie inspirieren, von denen die meisten für ihre charakteristische Champagnerflötenform bekannt sind. Winzige poröse Nanostrukturen im becherförmigen Blatt der meisten Kannenpflanzen fangen Feuchtigkeit ein und schmieren den Rand der „Tasse“, sodass ein leckeres Insekt, sobald es auf der Pflanze landet, einen Rutsch-und-Rutsch-Vorgang durchläuft eine Grube an der Basis der Pflanze mit Verdauungsenzymen gefüllt.
Kreder und seine Kollegen verkleideten das darunter liegende feste Material des PionEar mit einer flüssigen Schicht. Diese Konstruktion hilft letztendlich zu verhindern, dass sich Bakterienfilme auf dem Ohrschlauch bilden und eine anhaltende Infektion verursachen.
PionEar wurde kürzlich beim Collegiate Inventors Competition mit dem mit 10.000 US-Dollar dotierten Goldpreis ausgezeichnet. Die National Inventors Hall of Fame veranstaltet den Wettbewerb in Zusammenarbeit mit dem Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten. (Das USPTO geht eine Partnerschaft mit Smithsonian.com ein, um Berichte über Innovationen an der Smithsonian Institution und darüber hinaus zu unterstützen.) Das Team hat ein vorläufiges Patent angemeldet.
Die PionEar-Teammitglieder Michael Kreder und Nicole Black sprechen auf der Bühne mit Anthony Scardino, Chief Financial Officer des USPTO, nachdem sie beim Collegiate Inventors Competition 2018 die Goldmedaille der Graduate Division gewonnen hatten. (Nationale Hall of Fame der Erfinder) Eine der Juroren des diesjährigen Wettbewerbs, die Biomedizin-Ingenieurin Frances Ligler von der North Carolina State University, die am besten für ihre Arbeit mit Biosensoren bekannt ist, stellt fest, dass PionEar aufgrund seiner enormen potenziellen Reichweite besonders aufregend ist.
"PionEar hat das Potenzial, das Hörvermögen von Kindern zu einem kritischen Zeitpunkt in ihrer Sprachentwicklung sicherer zu verbessern, die Schmerzen und die Kosten von wiederholten Operationen zu verringern und die Vernarbung des Trommelfells mit dem damit verbundenen dauerhaften Hörverlust signifikant zu verringern", sagt Ligler.
Ligler hofft, dass PionEar die nächsten Phasen der Vermarktung, einschließlich der Patentgenehmigung, der FDA-Zulassung seiner Materialien, Tierversuchen und klinischen Studien, zügig durchlaufen kann. "Je früher, desto besser", sagt sie.
Laut Black wird das Team das Design des Geräts mithilfe von 3D-Druckmethoden im Bioengineering-Labor von Harvard-Professor Jennifer Lewis weiter verbessern. In Kürze werden sie versuchen, ihre Ohrschläuche am Sternentier der HNO, der Chinchilla, zu testen, die - dank der großen Ohren des Nagetiers und der ähnlichen Anfälligkeit für Ohrenentzündungen - maßgeblich zur Untersuchung von Erkrankungen des Innen- und Mittelohrs beim Menschen beigetragen hat Jahrzehnte. Remenschneider wird die Tierstudie im Massachusetts Eye & Ear Hospital leiten. Am Wyss-Institut für biologisch inspirierte Technik unter der Leitung von Ida Pavlichenko, einer Forscherin für Technologieentwicklung in Aizenbergs Labor, die auch maßgeblich an der Entwicklung der biologisch inspirierten Aspekte von PionEar beteiligt ist, laufen derzeit Kommerzialisierungsbemühungen.
„Die beiden Erfinder haben nach einer Lösung für ein Problem gesucht, unter dem viele Menschen leiden, insbesondere Kinder“, sagt Ligler. "So etwas hat noch niemand gemacht."
