为优化耳管和其他植入式流体传输设备创建蓝图

中耳感染是鼓膜后面充满空气的空间，其中包含微小的振动听骨，每年影响全球 7 亿多人。儿童特别容易发生耳部感染，其中 40% 的儿童会出现反复或慢性感染，这可能导致听力受损、言语和语言延迟、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，医生可能会通过手术将称为“鼓膜穿刺管”(TT) 的耳管插入耳膜，以在耳道和中耳之间形成一个开口。理想情况下，这些导管可使中耳通气，提供液体排出的途径，并允许抗生素滴剂到达引起感染的细菌。但实际上，这些由塑料或金属制成的小型空心圆柱形装置的功能远非完美。

细菌可以铺设生物膜，局部组织可以在它们的表面生长，这会阻塞 TT 的内腔并导致它们挤出。此外，在耳道中使用的抗生素滴耳剂可能无法再到达感染部位。这些并发症会带来风险并导致需要频繁进行置换手术，从而给医疗保健系统带来巨大的经济成本。

重要的是，影响 TT 的问题也困扰着其他流体输送“植入式医疗导管”(IMC)，例如导管、分流器和用于大脑、肝脏、眼睛和其他高压屏障阻止的器官的各种小管流体流过导管。在寻求更高级设备的过程中，生物医学工程师面临的根本挑战源于这样一种冲突，即减小 IMC 设备的尺寸和侵入性是以增加它们被阻塞和发生故障的风险为代价的。

现在，哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所、哈佛约翰 A 保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 和波士顿马萨诸塞州眼耳科学院 (MEE) 的多学科研究合作提供了完整的设计检修通过制定解决这一挑战的广泛适用的战略，为 IMC 提供支持。他们的方法使 IMC 能够在毫米级进行可预测且有效的单向和双向流体传输，从而抵抗各种污染。

以由液体注入材料制成的 TT 为例（iTT，“注入鼓膜造口管”的缩写），他们共同优化了难以调和的功能，包括快速将药物输送到中耳和将液体从中耳排出，通过引入新的管腔弯曲几何形状，防止水从外部进入中耳，并防止细菌和细胞粘附到管上。

“作为一名临床耳科医生，我每天都会治疗患有复发性耳部感染的儿科和成人患者，并且我会定期放置鼓膜置管，这是在美国对儿童进行的最常见的外科手术。然而，TT 医疗设备技术仍然存在在过去的 50 年里相对没有变化，”共同资深作者、医学博士、公共卫生硕士 Aaron Remenschneider 说

“鉴于我们的研究结果，我确实看到了慢性耳部感染患者的希望。我们的 iTT 不仅证明细胞粘附减少和选择性液体转运改善，而且我们还展示了 iTT 如何减少鼓膜疤痕并保留“与标准护理控制 TT 相比，听力。iTT 也可以成为向中耳输送一系列药物的有效工具。”

材料和临床科学家一起仔细聆听

在这次合作之前，共同资深作者 Joanna Aizenberg 博士是 Wyss 研究所的副教授，也是 SEAS 材料科学的 Amy Smith Berylson 教授，她开创了具有全新功能的仿生材料。其中包括 SLIPS（“Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces”的缩写），它暴露出一层薄薄的油基液体，以防止各种生物造成生物污染，同时实现与其他液体的特定相互作用。

Aizenberg 的团队已将 SLIPS 技术应用于不同的工业和环境“生物污染”问题，并且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 TT 和其他 IMC 进行全面的设计改革成为 Aizenberg 小组、Remenschneider 和 Kozin 推动的长期合作的目标，其中还包括其他研究人员和临床医生。在其推进过程中，跨机构项目被 Wyss 研究所认可为验证项目，提供了额外的财务、技术和翻译支持。

第一作者 Aizenberg 实验室工程研究生 Haritosh Patel 和前 Wyss 技术开发研究员 Ida Pavlichenko 博士开始开发第一个 iTT 原型，使用具有液体注入表面的材料和 3D 打印专业知识合著者 Jennifer Lewis, Sd.D. 在海洋。

Pavlichenko 说：“作为一名经历过耳部反复感染及其一些疼痛和有害后果的孩子的母亲，我可以立即与临床问题联系起来，并强烈感到有必要带头开展一个有可能解决该问题的项目。”

“我们很快开始研究几何形状作为解决 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 TT 存在。我们假设将特定曲率引入 iTT 的通道可以让它们区分不同的流体一个小规模。”

在专注于 iTT 作为第一个应用的同时，该团队开发了一个更广泛适用的支持建模的设计过程，可以应用于具有不同任务和身体位置的 IMC。基于液体、材料和尺寸的物理参数，它从基于流体动力学的预测开始，预测毫米尺寸的 IMC 的特定几何形状，这些 IMC 用液体注入表面制造，以控制不同液体通过它们的定向传输。

“除了在中耳体外模型中通过合理设计和制造的 iTT 原型验证预测的液体传输外，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粘附的抵抗力，”帕特尔说。这些菌株由共同作者 Paulo Bispo 博士 直接从慢性中耳感染患者中分离出来，他是该项目的另一位 MEE 合作者和 HMS 的助理教授。

靠近人耳

为了在与人耳相关的体内模型中比较他们的 iTT 与传统 TT 的性能，合作者在龙猫的耳朵上测试了他们的方法，这是研究中耳疾病和治疗方法的黄金标准。龙猫的鼓膜与人类的鼓膜大小相当，听力频率范围也相似，Remenschneider 和 Kozin 在他们的 MEE 研究实验室中经常使用它们。

“检查所有必需的盒子，iTTs，当植入龙猫的耳膜时，可以防止环境水进入，防止感染积聚，减少疤痕，并保持通风和压力平衡，”帕特尔说。

Pavlichenko 补充说：“重要的是，与传统的 TT 相比，它们保留了听力，并且能够更容易、更可靠地向中耳滴入抗生素滴耳液，这尤其令人兴奋。”

根据 Remenschneider 的说法，“通过 iTT 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，iTT 接下来可以在人类患者的临床试验中进行测试。但同样让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，作为大脑、眼睛的分流器和胆管。技术和制造工艺甚至可以创建针对特定患者的特征和需求进行优化的个性化设备，”Aizenberg 说。

“我们设想未来可以对 iTT 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，以有效地局部递送治疗剂和治疗各种疾病疾病。”

“这是一个很好的例子，说明当创新材料科学家、工程师和临床医生携手合作设计一种新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 医学博士说。 ., 他也是 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 生物启发工程教授。