Di Massachusetts Eye and Ear, rumah sakit pendidikan Harvard di Boston, Nicole Black dan teman-teman sekelasnya disuruh melihat ke dalam telinga masing-masing menggunakan otoskop untuk menyinari gendang telinga mereka. Teman-teman Black memperhatikan bahwa ia memiliki jaringan parut di saluran telinga dan instrukturnya menyarankan jaringan parut itu mungkin disebabkan oleh tabung telinga yang dimasukkan melalui pembedahan selama masa kecilnya untuk mengobati infeksi telinga yang berulang.
Karena Black masih balita pada waktu itu, dia tidak ingat persis seperti apa pengalamannya dengan tabung telinga, yang merupakan silinder kecil yang dimasukkan ke dalam gendang telinga untuk menjaga telinga berventilasi dengan baik dan mencegah penyumbatan yang menyakitkan. Tapi tetap saja, mereka meninggalkan bekas yang langgeng, dan suatu hari, jaringan parut ini bisa menyebabkan gangguan pendengaran. Sekitar waktu latihan kelas ini, keponakan Black menjalani operasi tabung telinga. Bahkan, beberapa anggota tim lain juga memiliki orang-orang terkasih yang mendapatkan tabung implan. Dengan keponakannya dalam pikiran, Black termotivasi untuk mencari solusi, sehingga mungkin di masa depan, mendapatkan infeksi telinga pada usia muda tidak akan berdampak pada seseorang seumur hidup.
Black, seorang kandidat PhD bioteknologi Universitas Harvard, telah bekerja dengan ahli bedah di Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider dan Elliott Kozin, pada perangkat telinga tengah lainnya. Setelah memutuskan untuk menyelidiki cara-cara meningkatkan tabung telinga, mereka bekerja sama dengan para peneliti ilmu material dari Harvard untuk menciptakan PionEar — tabung telinga kecil yang diilhami secara bio-cetak 3D yang mengurangi jaringan parut serta kebutuhan untuk operasi penyisipan berulang.
Black dan keponakannya bukan anomali: diperkirakan 80 persen anak-anak akan memiliki setidaknya satu infeksi telinga pada saat mereka berusia tiga tahun, dan infeksi ini terhitung setidaknya 25 juta kunjungan dokter setiap tahun. Sebagian besar infeksi dapat diobati dengan antibiotik — baik secara oral atau melalui tetes telinga. Tetapi antibiotik oral yang digunakan untuk seluruh jajaran infeksi bakteri yang dijumpai pada anak-anak telah ditemukan memiliki sejumlah efek samping, menyumbang hampir 70.000 kunjungan ruang gawat darurat per tahun, dan sering digunakan secara berlebihan. Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit memperkirakan bahwa 30 persen dari semua antibiotik yang diresepkan di klinik, kantor dokter dan UGD tidak perlu. Obat tetes telinga bisa efektif, tetapi untuk kasus dengan komplikasi atau telinga yang sangat tersumbat, pemberian obat tetes telinga ke telinga tengah merupakan tantangan. Hampir 700.000 anak di bawah usia 15 tahun, yang rentan terhadap infeksi telinga yang datang kembali dan lagi, dirawat di Amerika Serikat setiap tahun dengan tabung telinga yang diimplantasikan dengan pembedahan, menurut American Academy of Otolaryngology — Kepala dan Leher Bedah.
Tabung telinga sering tersumbat (kiri) atau terlalu cepat keluar (tengah). Desain saat ini juga membatasi kemampuan untuk mengobati infeksi telinga dengan tetes telinga (kanan). (PionEar) Namun, tabung telinga juga bukan solusi yang mudah. Pada akhirnya, tujuannya adalah untuk memberikan ventilasi pada telinga untuk mengurangi rasa sakit, bukan untuk benar-benar mengobati infeksi. Secara historis, tabung telinga diciptakan oleh dokter - bukan insinyur atau fisikawan - mungkin dalam keadaan darurat untuk memberikan bantuan kepada pasien mereka. Tabung telinga pertama dibuat pada tahun 1845 oleh ilmuwan Jerman Gustav Lincke dan Martell Frank, dan sekitar setengah lusin model diperkenalkan pada tahun 1875 menggunakan bahan yang berbeda, termasuk emas, perak, aluminium dan karet. Pada 1950-an, Beverly Armstrong memperkenalkan tabung berbasis vinil berlekuk pertama yang masih menjadi dasar dari apa yang digunakan saat ini. Ada sedikit perubahan pada desain aslinya.
Black dan tim menemukan bahwa ketika dokter meresepkan tetes telinga untuk pasien dengan tabung telinga, seringkali tetes tersebut tidak benar-benar mencapai telinga tengah dengan tabung di salah satu, dan sebagai gantinya, akhirnya berkumpul di permukaan tabung. Terlebih lagi, tabung sering rontok terlalu cepat, yang mengirim anak-anak kembali ke rumah sakit untuk operasi lain, yang bisa menjadi invasif, mahal dan melelahkan.
"Kami menemukan bahwa hampir 40 persen tabung telinga berakhir dengan satu atau lain cara gagal, " kata Black, yang juga mengejar minor dalam berbicara dan mendengar bioscience dan teknologi. “Jadi anak-anak ini akhirnya kembali ke ruang operasi. Ini sangat memprihatinkan bagi saya karena tahu bahwa keponakan saya dapat menghadapi ini. ”
Menemukan solusi yang mempercepat proses penyembuhan daripada memperpanjangnya sangat penting, terutama untuk anak-anak muda yang sedang mengembangkan bahasa. Ketika infeksi telinga benar-benar buruk dan lendir menumpuk di telinga tengah, anak-anak "pada dasarnya mendengar seperti mereka di bawah air, " kata Black. Jika mereka tidak dapat mendengar suara mereka sendiri atau orang tua mereka, ini dapat berdampak besar pada perkembangan bicara.
PionEar mengatasi masalah ini dengan beberapa cara. Pertama dan terpenting, PionEar lebih kecil dari tabung telinga tradisional dan pas di telinga tengah untuk mengurangi jaringan parut dan risiko mereka jatuh lebih awal. Kedua, perangkat ini mengurangi kemungkinan infeksi bakteri dan penyumbatan tambahan. Terakhir, geometri tabung telinga PionEar memungkinkan penumpukan lendir keluar dari telinga dan obat-obatan mengalir ke telinga tengah dan secara efektif mengobati infeksi.
"Komponen kunci dari kebaruan penemuan ini adalah kombinasi dari efek-efek ini dalam satu perangkat, yang cukup menantang, " kata Michael Kreder, co-inventor PionEar dan kandidat PhD fisika terapan yang bekerja di biomekanik profesor Harvard Joanna Aizenberg. laboratorium.
Untuk mencapai tujuan kedua itu, tim mendapatkan inspirasi dari tanaman semar tropis karnivora dari keluarga Nepenthaceae, yang sebagian besar dikenal karena bentuknya yang seperti seruling seperti sampanye. Struktur nano berpori kecil di dalam daun berbentuk cangkir dari sebagian besar wadah tanaman memerangkap kelembapan dan melumasi pinggiran "cangkir" itu, sehingga begitu seekor serangga lezat mendarat di tanaman itu, ia akan jatuh dan tergelincir sampai mati di lubang di pangkal tanaman yang diisi dengan enzim pencernaan.
Mengangkat tanaman pengumpan, Kreder dan rekan-rekannya menutupi bahan padat PionEar dengan lapisan cair. Konstruksi ini pada akhirnya membantu mencegah pembentukan bakteri pada tabung telinga dan menyebabkan infeksi persisten.
PionEar baru-baru ini memenangkan penghargaan tertinggi di Kompetisi Penemu Collegiate, menerima penghargaan emas senilai $ 10.000. Hall of Fame Penemu Nasional menempatkan persaingan dalam kemitraan dengan Kantor Hak Paten dan Merek Dagang Amerika Serikat. (USPTO bermitra dengan Smithsonian.com untuk mendukung cerita tentang inovasi di Smithsonian Institution dan seterusnya.) Tim telah mengajukan paten sementara.
Anggota tim PionEar Michael Kreder dan Nicole Black berbicara di atas panggung dengan Anthony Scardino, kepala keuangan USPTO, setelah memenangkan medali emas Divisi Pascasarjana di 2018 Collegiate Inventors Competition. (Hall of Fame Penemu Nasional) Salah satu juri kompetisi tahun ini, insinyur biomedis Frances Ligler dari North Carolina State University, yang terkenal karena karyanya dengan biosensor, mencatat bahwa PionEar sangat menarik karena bagaimana potensinya yang luas mencapai.
“PionEar memiliki potensi untuk meningkatkan pendengaran pada anak-anak lebih aman pada waktu kritis dalam perkembangan bicara mereka, mengurangi rasa sakit dan biaya operasi berulang, dan secara signifikan mengurangi jaringan parut gendang telinga dengan gangguan pendengaran permanen terkait, ” kata Ligler.
Ligler berharap untuk melihat PionEar bergerak cepat melalui fase komersialisasi berikutnya, termasuk persetujuan paten, persetujuan FDA atas bahan-bahan mereka, uji hewan dan uji klinis. "Semakin cepat semakin baik, " katanya.
Black mengatakan tim akan terus meningkatkan desain perangkat menggunakan metode pencetakan 3D di laboratorium bioengineering profesor Harvard, Jennifer Lewis. Segera, mereka akan bergerak untuk menguji tabung telinga mereka pada hewan lab bintang otolaringologi, chinchilla, yang — berkat telinga besar hewan pengerat dan kerentanan serupa terhadap infeksi telinga — telah berperan penting dalam mempelajari penyakit telinga bagian dalam dan tengah pada manusia untuk dekade. Remenschneider akan memimpin penelitian hewan di rumah sakit Massachusetts Eye & Ear. Upaya komersialisasi sedang berlangsung dengan Institut Wyss untuk Rekayasa Terinspirasi Secara Biologis di bawah bimbingan Ida Pavlichenko, seorang peneliti pengembangan teknologi di lab Aizenberg yang juga merupakan co-penemu instrumental dari aspek bio-terinspirasi PionEar.
"Kedua penemu mengeksplorasi solusi mereka untuk masalah yang mengakibatkan penderitaan luas, terutama anak-anak, dari berbagai sisi, " kata Ligler. "Tidak ada yang pernah melakukan hal seperti ini sebelumnya."
