Au Massachusetts Eye and Ear, un hôpital universitaire de Harvard à Boston, Nicole Black et ses camarades ont été invitées à se regarder dans les oreilles à l'aide d'un otoscope pour éclairer leurs tympans. Les pairs de Black ont remarqué qu'elle avait des cicatrices dans le canal auditif et les instructeurs ont suggéré que les cicatrices pourraient avoir été causées par des tubes auriculaires insérés chirurgicalement pendant son enfance pour traiter des otites récurrentes.
Parce que Black était un enfant en bas âge à l'époque, elle ne se souvient pas exactement de ce qu'elle a vécu avec les oreillettes, de minuscules cylindres insérés dans le tympan pour garder l'oreille correctement et éviter le colmatage douloureux. Mais ils ont quand même laissé une marque durable et un jour, ce tissu cicatriciel pourrait entraîner une perte auditive. À peu près au moment de cet exercice de classe, le neveu de Black a été opéré du tube auditif. En fait, plusieurs autres membres de l'équipe avaient aussi des êtres chers qui se faisaient implanter des tubes. En pensant à son neveu, Black était motivée pour chercher une solution, de sorte que peut-être qu'à l'avenir, les infections d'oreille à un jeune âge n'auront pas à avoir d'impact sur une personne toute sa vie.
Black, candidat au doctorat en bio-ingénierie de l'Université Harvard, travaillait avec les chirurgiens du Massachusetts Eye and Ear, Aaron Remenschneider et Elliott Kozin, sur d'autres appareils pour l'oreille moyenne. Après avoir décidé d’étudier les moyens d’améliorer les oreillettes, ils se sont associés à des chercheurs en sciences des matériaux de Harvard pour créer PionEar, un minuscule embout auriculaire bi-inspiré et imprimé en 3D qui réduit les cicatrices ainsi que la nécessité de recourir à des chirurgies d’insertion répétées.
Black et son neveu ne sont pas des anomalies: environ 80% des enfants auront au moins une otite à l’âge de trois ans et ces infections représentent au moins 25 millions de visites chez le médecin par an. La plupart des infections peuvent être traitées avec des antibiotiques, soit oralement, soit par gouttes auriculaires. Cependant, les antibiotiques oraux utilisés pour toute la gamme d'infections bactériennes rencontrées par les enfants ont eu de nombreux effets secondaires, représentant près de 70 000 visites en salle d'urgence par an et sont souvent surutilisés. Les Centers for Disease Control and Prevention estiment que 30% de tous les antibiotiques prescrits dans les cliniques, les cabinets de médecin et les urgences sont inutiles. Les gouttes auriculaires peuvent être efficaces, mais dans les cas de complications ou d’oreilles particulièrement bouchées, il est difficile de porter les gouttes à l’oreille moyenne. Selon l'Académie américaine d'oto-rhino-laryngologie - Chirurgie cervico-faciale, chaque année aux États-Unis, près de 700 000 enfants de moins de 15 ans, sujets à des otites réapparues, sont traités aux États-Unis à l'aide de tubes auriculaires implantés chirurgicalement.
Les tubes auditifs sont souvent obstrués (à gauche) ou extrudent trop rapidement (au centre). Les conceptions actuelles limitent également la capacité de traiter les infections de l'oreille avec des gouttes auriculaires (à droite). (PionEar) Cependant, les oreillettes ne sont pas non plus une solution infaillible. En fin de compte, leur objectif est de ventiler l'oreille afin de réduire la douleur et non de traiter réellement l'infection. Historiquement, les oreillettes ont été créées par des médecins - et non par des ingénieurs ou des physiciens - vraisemblablement dans un pincement pour fournir un soulagement à leurs patients. Le premier tube auriculaire a été créé en 1845 par les scientifiques allemands Gustav Lincke et Martell Frank. En 1875, environ une demi-douzaine de modèles ont été introduits avec différents matériaux, dont l'or, l'argent, l'aluminium et le caoutchouc. Dans les années 50, Beverly Armstrong a présenté le premier tube à base de vinyle entaillé qui constitue toujours la base de ce qui est utilisé aujourd'hui. Il y a eu peu de changement dans la conception originale.
Black et l'équipe ont constaté que, lorsque les médecins prescrivent des gouttes à l'oreille aux patients munis de tubes auriculaires, ces gouttes n'atteignent pas réellement l'oreille moyenne avec les tubes insérés, et finissent par se regrouper à la surface du tube. De plus, les tubes tombent souvent trop tôt, ce qui renvoie les enfants à l'hôpital pour une nouvelle intervention chirurgicale, qui peut devenir invasive, coûteuse et épuisante.
«Nous avons constaté que près de 40% des tubes auditifs échouaient d'une manière ou d'une autre», explique Black, qui poursuit également une mineure en bioscience et technologie de la parole et de l'audition. «Alors ces enfants finissent par retourner en salle d'opération. C'est particulièrement inquiétant pour moi de savoir que mon neveu pourrait faire face à cela. "
Il est essentiel de trouver une solution qui accélère le processus de guérison plutôt que de le prolonger, en particulier pour les jeunes enfants qui développent un langage. Lorsque les infections de l'oreille sont vraiment graves et que le mucus s'accumule dans l'oreille moyenne, les enfants «entendent comme s'ils étaient sous l'eau», explique Black. S'ils ne peuvent pas entendre leur propre voix ou celle de leurs parents, cela peut avoir un impact considérable sur le développement de la parole.
PionEar résout ces problèmes de plusieurs manières. Tout d’abord, PionEar est plus petit qu’un tube auditif traditionnel et s’ajuste parfaitement à l’oreille moyenne afin de réduire les cicatrices et le risque de chute précoce. Deuxièmement, le dispositif réduit les risques d'infection bactérienne et de colmatage supplémentaire. Enfin, la géométrie des tubes auriculaires PionEar permet au mucus de s'écouler de l'oreille et aux médicaments de s'écouler dans l'oreille moyenne et de traiter efficacement une infection.
«Un élément clé de la nouveauté de cette invention réside dans la combinaison de ces effets dans un seul appareil, ce qui constitue un défi de taille», déclare Michael Kreder, co-inventeur de PionEar et candidat au doctorat en physique appliquée au sein de la biomécanique du professeur de Harvard Joanna Aizenberg. laboratoire.
Pour atteindre ce deuxième objectif, l’équipe s’est inspirée des plantes carnivores tropicales de la famille des Nepenthaceae, dont la plupart sont connues pour leur forme caractéristique en forme de flûte à champagne. De minuscules nanostructures poreuses dans la feuille en forme de coupe de la plupart des plantes pichet retiennent l'humidité et lubrifient le bord de la «tasse», de sorte qu'une fois qu'un insecte savoureux atterrit sur la plante, il est envoyé à la traîne et glisse jusqu'à sa mort une fosse à la base de la plante remplie d'enzymes digestives.
En grignotant des plantes de pichet, Kreder et ses collègues ont masqué le matériau solide sous-jacent du PionEar avec une couche liquide. Cette construction aide finalement à empêcher les films bactériens de se former sur le tube auditif et de causer une infection persistante.
PionEar a récemment remporté les grands honneurs du Concours des inventeurs du Collège, en remportant le prix d'or d'une valeur de 10 000 dollars. Le Temple de la renommée des inventeurs nationaux organise le concours en partenariat avec l'Office des brevets et des marques des États-Unis. (L’USPTO s’associe à Smithsonian.com pour soutenir des articles sur l’innovation à la Smithsonian Institution et au-delà.) L’équipe a déposé un brevet provisoire.
Michael Kreder et Nicole Black, membres de l'équipe PionEar, s'entretiennent sur scène avec Anthony Scardino, directeur financier de l'USPTO, après avoir remporté la médaille d'or de la division des cycles supérieurs au Concours d'inventeurs collégiaux 2018. (Temple de la renommée des inventeurs nationaux) L'un des juges de la compétition de cette année, Frances Ligler, ingénieure biomédicale, de la North Carolina State University, connue pour son travail avec les biocapteurs, note que PionEar est particulièrement excitant en raison de la portée considérable de son potentiel.
«PionEar a le potentiel d’améliorer la sécurité auditive chez les enfants à un moment critique du développement de leur parole, de réduire la douleur et le coût des chirurgies répétitives et de réduire considérablement les cicatrices du tympan, accompagnées d’une perte d’ouïe permanente», explique Ligler.
Ligler espère voir PionEar passer rapidement aux étapes suivantes de la commercialisation, notamment l’approbation des brevets, l’approbation de la FDA de leurs matériaux, des tests sur animaux et des essais cliniques. «Le plus tôt sera le mieux», dit-elle.
Black déclare que l'équipe continuera à améliorer la conception de l'appareil à l'aide de méthodes d'impression 3D dans le laboratoire de bio-ingénierie de Jennifer Lewis, professeur à Harvard. Bientôt, ils s’apprêtent à tester leurs tubes auditifs chez l’animal vedette du laboratoire, le chinchilla, qui - grâce aux grandes oreilles du rongeur et à sa sensibilité similaire aux otites - a joué un rôle déterminant dans l’étude des maladies de l’oreille interne et moyenne chez l’être humain. décennies. Remenschneider dirigera l’étude sur les animaux à l’hôpital Massachusetts Eye & Ear. Des efforts de commercialisation sont en cours avec l'Institut Wyss pour l'ingénierie inspirée par la biologie sous la direction d'Ida Pavlichenko, chercheuse en développement technologique dans le laboratoire d'Aizenberg, qui est également l'un des co-inventeurs des aspects bioinspirés de PionEar.
«Les deux inventeurs ont exploré leur solution à un problème qui engendre une souffrance généralisée, en particulier chez les enfants, sous de nombreuses facettes», déclare Ligler. "Personne n'a rien fait de tel avant."
