No Massachusetts Eye and Ear, um hospital universitário de Harvard em Boston, Nicole Black e seus colegas foram orientados a olhar dentro dos ouvidos uns dos outros usando um otoscópio para iluminar seus tímpanos. Os colegas de Black notaram que ela tinha tecido cicatricial no canal auditivo e os instrutores sugeriram que a cicatriz pode ter sido causada por tubos auriculares que foram inseridos cirurgicamente durante a infância para tratar infecções recorrentes do ouvido.
Como Black era uma criança na época, ela não lembra exatamente como era a sua própria experiência com tubos auditivos, que são minúsculos cilindros inseridos no tímpano para manter o ouvido adequadamente ventilado e evitar entupimentos dolorosos. Mas ainda assim, eles deixaram uma marca duradoura e, um dia, esse tecido cicatricial pode levar à perda auditiva. Por volta da época desse exercício de aula, o sobrinho de Black passou por uma cirurgia no tubo auditivo. Na verdade, vários outros membros da equipe também tinham entes queridos que estavam recebendo tubos implantados. Com o sobrinho em mente, Black foi motivado a procurar uma solução, de modo que, talvez no futuro, contrair infecções de ouvido em uma idade jovem não tenha que causar impacto em uma pessoa por toda uma vida.
Black, um candidato a PhD em bioengenharia da Harvard University, trabalhava com cirurgiões do Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider e Elliott Kozin, em outros dispositivos de ouvido médio. Depois de decidir investigar maneiras de melhorar os tubos auditivos, eles se juntaram a pesquisadores de ciência dos materiais de Harvard para criar o PionEar - um minúsculo tubo de orelha inspirado em 3D e bio-inspirado que reduz as cicatrizes assim como a necessidade de cirurgias de inserção repetidas.
Black e seu sobrinho não são anomalias: estima-se que 80% das crianças tenham pelo menos uma infecção no ouvido até os três anos de idade, e essas infecções são responsáveis por pelo menos 25 milhões de consultas médicas anualmente. A maioria das infecções pode ser tratada com antibióticos - por via oral ou através de gotas para os ouvidos. Mas os antibióticos orais usados para toda a gama de infecções bacterianas que as crianças encontram foram encontrados para ter uma série de efeitos colaterais, respondendo por quase 70.000 visitas de emergência por ano, e muitas vezes são usados em demasia. Os Centros para Controle e Prevenção de Doenças estimam que 30% de todos os antibióticos prescritos em clínicas, consultórios médicos e pronto-socorros são desnecessários. Gotas auriculares podem ser efetivas, mas para casos com complicações ou orelhas especialmente entupidas, obter as gotas no ouvido médio é um desafio. Quase 700.000 crianças com menos de 15 anos de idade, que são propensas a infecções nos ouvidos que voltam repetidas vezes, são tratadas nos Estados Unidos todos os anos com tubos auriculares cirurgicamente implantados, de acordo com a Academia Americana de Otorrinolaringologia - Cirurgia de Cabeça e Pescoço.
Os tubos auditivos muitas vezes ficam entupidos (à esquerda) ou são expelidos muito rapidamente (no meio). Projetos atuais também limitam a capacidade de tratar infecções de ouvido com gotas de ouvido (direita). (PionEar) No entanto, os tubos auditivos também não são uma solução infalível. Em última análise, seu objetivo é ventilar o ouvido para reduzir a dor e não para realmente tratar a infecção. Historicamente, os tubos auriculares foram criados por médicos - não engenheiros ou físicos - presumivelmente em apuros para proporcionar alívio aos pacientes. O primeiro tubo auricular foi criado em 1845 pelos cientistas alemães Gustav Lincke e Martell Frank, e cerca de meia dúzia de modelos foram introduzidos em 1875 usando diferentes materiais, incluindo ouro, prata, alumínio e borracha. Na década de 1950, Beverly Armstrong introduziu o primeiro tubo de vinil entalhado que ainda é a base do que é usado hoje. Houve pouca mudança no design original.
Black e a equipe descobriram que quando os médicos prescrevem colírios a pacientes com tubos nos ouvidos, muitas vezes as gotas não chegam ao ouvido médio com os tubos, e acabam se agrupando na superfície do tubo. Além disso, os tubos muitas vezes caem cedo demais, o que envia as crianças de volta ao hospital para outra operação, que pode ser invasiva, cara e cansativa.
"Descobrimos que quase 40 por cento dos tubos de ouvido acabam falhando de uma forma ou de outra", diz Black, que também está buscando um menor em fala e audição biociência e tecnologia. “Então essas crianças acabam voltando para a sala de cirurgia. Isso é especialmente preocupante para mim, sabendo que meu sobrinho poderia enfrentar isso.
Encontrar uma solução que acelere o processo de cura em vez de prolongá-lo é vital, especialmente para as crianças pequenas que estão desenvolvendo a linguagem. Quando as infecções de ouvido são muito ruins e o muco é acumulado no ouvido médio, as crianças “basicamente ouvem como se estivessem debaixo d'água”, diz Black. Se eles não podem ouvir sua própria voz ou seus pais, isso pode ter um grande impacto no desenvolvimento da fala.
O PionEar aborda esses problemas de várias maneiras. Em primeiro lugar, o PionEar é menor do que um tubo auditivo tradicional e se encaixa perfeitamente no ouvido médio, a fim de reduzir as cicatrizes e o risco de elas caírem cedo. Em segundo lugar, o dispositivo reduz a chance de infecção bacteriana e entupimento adicional. Por fim, a geometria dos tubos auriculares PionEar permite que o acúmulo de muco seja drenado do ouvido e que o medicamento flua para o ouvido médio e trate efetivamente uma infecção.
"Um componente chave da novidade desta invenção é a combinação desses efeitos em um único dispositivo, o que é bastante desafiador", diz Michael Kreder, co-inventor da PionEar e candidato a PhD em física que trabalha na biomecânica da professora de Harvard, Joanna Aizenberg. laboratório.
Para atingir esse segundo objetivo, a equipe se inspirou nas plantas carnívoras tropicais da família Nepenthaceae, a maioria das quais é conhecida por sua forma distinta de flauta de champanhe. Nanoestruturas porosas minúsculas dentro da folha em forma de taça da maioria das plantas lançadoras prendem a umidade e lubrificam a borda da “xícara”, de modo que uma vez que um inseto saboroso pousa na planta, ela é enviada para a morte uma cova na base da planta cheia de enzimas digestivas.
Riffing de plantas de jarro, Kreder e seus colegas mascararam o material sólido subjacente do PionEar com uma camada líquida. Esta construção ajuda a impedir que os filmes bacterianos se formem no tubo auditivo e causam infecção persistente.
A PionEar ganhou recentemente as principais honras no Collegiate Inventors Competition, recebendo o prêmio de ouro no valor de US $ 10.000. O National Inventors Hall of Fame coloca a concorrência em parceria com o Escritório de Marcas e Patentes dos Estados Unidos. (O USPTO faz parceria com o Smithsonian.com para apoiar histórias sobre inovação na Smithsonian Institution e além.) A equipe solicitou uma patente provisória.
Os membros da equipe da PionEar, Michael Kreder e Nicole Black, falam no palco com Anthony Scardino, diretor financeiro da USPTO, depois de ganhar a medalha de ouro da Graduate Division no 2018 Collegiate Inventors Competition. (Salão Nacional da Fama dos Inventores) Um dos juízes da competição deste ano, a engenheira biomédica Frances Ligler, da North Carolina State University, que é mais conhecida por seu trabalho com biossensores, observa que o PionEar é especialmente empolgante, devido à grande abrangência de seu potencial.
"PionEar tem o potencial para melhorar a audição em crianças com mais segurança em um momento crítico no desenvolvimento da fala, reduzir a dor eo custo de cirurgias repetitivas, e reduzir significativamente a cicatrização do tímpano com perda auditiva permanente associada", diz Ligler.
Ligler espera ver a PionEar passar rapidamente pelas próximas fases de comercialização, incluindo aprovação de patentes, aprovação pelo FDA de seus materiais, testes em animais e testes clínicos. "Quanto mais cedo melhor", diz ela.
Black diz que a equipe continuará a melhorar o design do dispositivo usando métodos de impressão 3D no laboratório de bioengenharia da professora de Harvard, Jennifer Lewis. Em breve, eles irão testar seus tubos de ouvido no animal de laboratório da otorrinolaringologia, a chinchila, que - graças às orelhas grandes do roedor e suscetibilidade semelhante a infecções de ouvido - tem sido útil no estudo de doenças do ouvido interno e médio em humanos. décadas. Remenschneider conduzirá o estudo animal no hospital Massachusetts Eye & Ear. Os esforços de comercialização estão em andamento com o Instituto Wyss para Engenharia Biologicamente Inspirada sob a orientação de Ida Pavlichenko, pesquisadora de desenvolvimento tecnológico no laboratório de Aizenberg que também é um co-inventor instrumental dos aspectos bio-inspirados do PionEar.
“Os dois inventores exploraram sua solução para um problema que resulta em sofrimento generalizado, especialmente de crianças, de muitas facetas”, diz Ligler. "Ninguém fez nada assim antes."
