为优化耳管和其他植入式液体输送装置创造蓝图

全球每年有超过7亿人受到中耳感染的影响。中耳是鼓膜后面充满空气的空间，里面有微小的振动的听力骨骼。儿童尤其容易发生耳部感染，其中40%的儿童会出现反复或慢性感染，可能导致听力受损、言语和语言发育迟缓、耳膜穿孔，甚至危及生命的脑膜炎等并发症。

作为一种治疗方法，医生可能会通过外科手术将耳管(称为鼓膜造口管)插入鼓膜，在耳道和耳道之间创造一个开口中耳．理想情况下，这些管道为中耳通风，为液体排出提供一条通道，并允许抗生素滴液到达引起感染的细菌。但在现实中，这些由塑料或金属制成的小型空心圆柱形设备远非完美。

细菌可以形成生物膜，局部组织可以在它们的表面生长，这阻碍了TTs的管腔并导致它们挤压。此外，抗生素滴耳剂应用于耳道可能无法到达感染部位。这些并发症带来风险，导致需要频繁进行置换手术，给卫生保健系统带来巨大的经济成本。

重要的是，影响TTs的问题也困扰着其他液体运输的“植入式医疗导管”(IMCs)，如导管、分流器和各种用于大脑、肝脏、眼睛和其他器官的小管，高压屏障阻止液体流经导管。在寻求更好的设备的过程中，生物医学工程师面临的根本挑战植根于这样一种冲突:减少IMC设备的尺寸和侵入性是以增加其阻塞和故障的风险为代价的。

现在，哈佛大学Wyss生物工程研究所、哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和波士顿马萨诸塞州眼耳学院(MEE)的一项多学科研究合作，通过创建一个广泛适用的策略来解决这一挑战，为IMCs提供了一个完整的设计改革。他们的方法使IMCs能够在毫米尺度上进行可预测和有效的单向和双向流体输送，从而抵抗各种污染。

以液体注入材料制成的TTs为例(iTTs，“灌注鼓室造口管”的缩写)，它们共同优化了难以协调的功能，包括快速药物输送和液体从中耳排出，抵抗水从外部进入中耳，以及预防细菌和细菌细胞粘附对于管，通过引入一种新颖的弯曲管腔几何结构。研究结果发表在最近的封面文章科学转化医学．

“作为一名临床耳科医生，我治疗儿科和成人患者中我每天都会放置鼓膜造瘘管，这是美国最常见的儿童外科手术。然而，TT医疗设备技术在过去50年里一直保持相对不变，”共同资深作者Aaron Remenschneider说，他是医学博士，M.P.H.

“鉴于我们的发现，我确实看到了慢性耳部感染患者的希望。我们的iTTs不仅显示了细胞粘附的减少和选择性液体运输的改善，而且我们还显示了与标准护理对照TTs相比，iTTs如何减少鼓膜瘢痕并保留听力。iTTs也可以成为将一系列药物输送到中耳的有效工具。”

Remenschneider是哈佛医学院(HMS)的讲师，在MEE与合著者、MEE耳科医生同事以及HMS助理教授Elliott Kozin医学博士密切合作，后者也在MEE研究耳部疾病的治疗方法。

材料科学家和临床科学家一起倾听

在这次合作之前，联合资深作者Joanna Aizenberg博士，她是Wyss研究所的副教员和SEAS材料科学的Amy Smith Berylson教授，开创了具有全新功能的生物灵感材料。这些技术包括slip(“光滑的液体渗透多孔表面”的缩写)，它可以暴露出一层薄薄的油基液体，以防止各种生物的生物污染，同时可以与其他液体进行特定的相互作用。

Aizenberg的研究小组已经将slits技术应用于不同的工业和环境“生物污染”问题，为了寻找他们的材料可以帮助解决的医疗领域未满足的需求，他们咨询了Remenschneider、Kozin和其他医生。对TTs和其他imc的彻底设计改革成为Aizenberg的团队、Remenschneider和Kozin(其中还包括其他研究人员和临床医生)推动的长期合作的目标。在其推进过程中，跨机构项目被Wyss研究所确认为验证项目，该研究所提供了额外的财政、技术和翻译支持。

第一作者Haritosh Patel是Aizenberg实验室的工程研究生，Ida Pavlichenko博士是前Wyss技术开发研究员，他们开始开发第一个iTT原型，使用带有液体注入表面的材料和合著者Jennifer Lewis的3D打印专业知识。在海洋。

帕夫利琴科说:“作为一个孩子的母亲，她经历了反复的耳部感染以及一些疼痛和有害后果，我可以立即联想到临床问题，并强烈地感到有必要带头开展一个有可能解决这个问题的项目。”

“我们很快就开始研究几何图形作为解决imc基本设计挑战的可能解决方案。令人惊讶的是，只有具有直内腔通道的圆柱形TTs存在。我们假设，在iTTs的通道中引入特定的曲率，可以让它们在小范围内区分不同的流体。”

在专注于itt作为第一个应用程序的同时，团队开发了一个更广泛适用的支持建模的设计流程，可以应用于在主体中具有不同任务和位置的imc。基于液体、材料和尺寸的物理参数，它首先基于流体动力学预测毫米级imc的特定几何形状，以控制不同液体通过它们的方向输送。

Patel说:“除了通过合理设计和制造的iTT原型在中耳体外模型中验证预测的液体运输外，我们还证明了它们对导致儿童耳部感染的五种最常见细菌菌株的粘附性。”菌株直接从慢性中暑患者中分离耳部感染合著者保罗·比斯波博士，他是MEE项目的另一位合作者，也是HMS的助理教授。

离人耳更近了

为了研究他们的iTTs在与人耳相关的体内模型中与传统TTs相比的性能，合作者在龙猫的耳朵上测试了他们的方法，龙猫是研究中耳疾病和治疗方法的金标准。龙猫的鼓膜大小与人类相当，听觉频率范围也与人类相似，Remenschneider和Kozin在他们的MEE研究实验室中经常使用龙猫。

帕特尔说:“检查了所有必要的盒子，当植入龙猫的耳膜时，iTTs可以隔绝环境水，防止感染性积聚，减少疤痕，并保持透气和压力平衡。”

帕夫利琴科补充说:“重要的是，与传统的TTs相比，它们保存了听力，并使抗生素滴耳剂更容易和可靠地注入中耳，这特别令人兴奋。”

雷门施耐德说:“通过iTTs向中耳可靠地给药，为重新思考我们对中耳甚至内耳疾病(如听力损失)的管理打开了大门。”

“基于我们出色的安全性和有效性结果，iTTs下一步可以在人类患者的临床试验中进行测试。但同样令我们兴奋的是将我们的专利设计方法扩展到其他重要的imc，例如大脑、眼睛和胆管的分流器。该技术和制造过程甚至可以创造出针对特定患者的特征和需求优化的个性化设备。”

“我们设想，未来可以对iTTs和其他imc的材料和几何特性进行逆向工程，使它们适应不同的药物配方，并使它们成为药物发现过程的一部分，以有效地局部传递治疗方法和治疗各种疾病。”

“这是一个很好的例子，说明当你有创新材料科学家、工程师和临床医生携手合作，设计出一种新的方法来满足特定患者的需求时，会发生什么，”Wyss创始董事Donald Ingber说，他是医学博士，也是HMS和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授，以及SEAS的Hansjörg Wyss生物工程教授。