Criando um projeto para tubos auriculares otimizados e outros dispositivos implantáveis ​​de transporte de fluidos – Strong The One

Como tratamento, os médicos podem inserir cirurgicamente tubos auriculares conhecidos como “tubos de timpanostomia” (TTs) no tímpano para criar uma abertura entre o canal auditivo e o ouvido médio. Idealmente, esses condutos ventilam o ouvido médio, fornecem uma rota para a drenagem do fluido e permitem que as gotas de antibiótico alcancem as bactérias causadoras da infecção. Mas, na realidade, esses pequenos dispositivos cilíndricos ocos feitos de plástico ou metal funcionam longe de serem perfeitos. As bactérias podem estabelecer biofilmes e o tecido local pode crescer em suas superfícies, o que bloqueia o lúmen dos TTs e faz com que eles sejam expelidos. Além disso, as gotas antibióticas aplicadas no canal auditivo podem não atingir mais o local da infecção. Essas complicações representam riscos e resultam na necessidade de frequentes cirurgias de substituição, gerando custos econômicos consideráveis ​​para o sistema de saúde.

É importante ressaltar que os problemas que afetam os TTs também afetam outros “condutos médicos implantáveis” (IMCs) de transporte de fluidos, como cateteres, shunts e vários pequenos tubos com uso no cérebro, fígado, olhos e outros órgãos onde uma barreira de alta pressão impede fluidos fluam através do conduíte. Na busca por dispositivos superiores, o desafio fundamental enfrentado pelos engenheiros biomédicos está enraizado no conflito de que a redução do tamanho e da capacidade de invasão dos dispositivos IMC acarreta o aumento do risco de bloqueio e mau funcionamento.

Agora, uma colaboração de pesquisa multidisciplinar no Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering na Harvard University, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Massachusetts Eye and Ear (MEE) em Boston fornece uma revisão completa do design para IMCs, criando uma estratégia amplamente aplicável que resolve esse desafio. Sua abordagem permite que os IMCs tenham transporte de fluido uni e bidirecional previsível e eficaz na escala milimétrica que resiste a várias contaminações. Com o exemplo de TTs fabricados a partir de um material líquido infundido (euTTs, abreviação de “tubos de timpanostomia infundidos”), eles cootimizaram funções difíceis de conciliar, incluindo administração rápida de medicamentos e drenagem de fluidos para fora do ouvido médio, resistência contra passagem de água de fora para o ouvido médio, como bem como a prevenção da adesão bacteriana e celular aos tubos, introduzindo uma nova geometria de lúmen curvo do tubo. As descobertas foram publicadas no recente artigo de capa da Ciência Medicina Translacional.

“Como otologista clínico, trato diariamente pacientes pediátricos e adultos com infecções de ouvido recorrentes e rotineiramente coloco tubos de timpanostomia, que em crianças é o procedimento cirúrgico mais comum realizado nos Estados Unidos. No entanto, a tecnologia de dispositivos médicos TT permaneceu relativamente inalterado nos últimos 50 anos”, disse o co-autor sênior Aaron Remenschneider, MD, MPH “Dadas nossas descobertas, vejo esperança no horizonte para pacientes com infecções de ouvido crônicas. euOs TTs demonstram uma redução na adesão celular e melhoram o transporte seletivo de fluidos, mas mostramos como euOs TTs resultam em menor cicatrização do tímpano e audição preservada quando comparados aos TTs de controle padrão. euOs TTs também podem se tornar uma ferramenta eficaz para fornecer uma variedade de medicamentos ao ouvido médio.” Remenschneider é professor na Harvard Medical School (HMS) e no MEE colabora estreitamente com co-autor, colega otologista do MEE e professor assistente do HMS Elliott Kozin, MD, que também investiga abordagens terapêuticas para distúrbios do ouvido no MEE.

Cientistas de materiais e clínicos ouvem atentamente — juntos

Antes dessa colaboração, a co-autora sênior Joanna Aizenberg, Ph.D., que é membro do corpo docente associado do Wyss Institute e professora Amy Smith Berylson de Ciências de Materiais na SEAS, foi pioneira em materiais bioinspirados com funcionalidades totalmente novas. Estes incluíram SLIPS (abreviação de “Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces”), que expõe uma fina camada de líquido à base de óleo para evitar a bioincrustação por vários organismos enquanto permite interações específicas com outros fluidos. O grupo de Aizenberg aplicou a tecnologia SLIPS a diferentes problemas industriais e ambientais de “bioincrustação” e, em busca de necessidades não atendidas na área médica que seus materiais pudessem ajudar a resolver, eles consultaram Remenschneider, Kozin e outros médicos. Uma revisão completa do projeto de TTs e outros IMCs tornou-se o objetivo de uma colaboração de longa data conduzida pelo grupo de Aizenberg, Remenschneider e Kozin, que também incluiu outros pesquisadores e clínicos. Durante seu avanço, o projeto interinstitucional foi reconhecido como um Projeto de Validação no Instituto Wyss, que forneceu suporte financeiro, técnico e translacional adicional.

Os primeiros autores Haritosh Patel, estudante de pós-graduação em engenharia no laboratório de Aizenberg, e Ida Pavlichenko, Ph.D., ex-bolsista de desenvolvimento de tecnologia da Wyss começaram a desenvolver o primeiro euProtótipos TT, usando materiais com superfícies líquidas e a experiência em impressão 3D da co-autora Jennifer Lewis, Sd.D. na SEAS. “Como mãe de uma criança que teve infecções de ouvido recorrentes e algumas de suas dores e consequências prejudiciais, pude me relacionar imediatamente com o problema clínico e me senti fortemente compelido a liderar um projeto com potencial para resolvê-lo”, disse Pavlichenko. “Logo começamos a investigar a geometria como uma solução possível para solucionar o desafio fundamental do projeto dos IMCs. Surpreendentemente, existiam apenas TTs cilíndricos com canais retos de lúmen interno. euOs canais dos TTs podem permitir que eles discriminem diferentes fluidos em pequena escala.”

Enquanto foca em euTTs como primeira aplicação, a equipe desenvolveu um processo de design habilitado para modelagem muito mais amplamente aplicável que pode ser aplicado a IMCs com diferentes tarefas e locais no corpo. Com base nos parâmetros físicos de líquidos, materiais e tamanho, ele começa com a previsão baseada em dinâmica de fluidos de geometrias específicas para IMCs de tamanho milimétrico fabricados com superfícies com infusão de líquido para controlar o transporte direcional de diferentes líquidos através deles. “Além de validar o transporte previsto de fluidos através de sistemas racionalmente projetados e fabricados euProtótipos TT em em vitro modelos de ouvido médio, também demonstramos sua resistência contra a adesão das cinco cepas bacterianas mais comuns que causam infecção de ouvido em crianças”, disse Patel. As cepas foram isoladas diretamente de pacientes com infecções crônicas de ouvido médio pelo coautor Paulo Bispo, Ph. .D., outro colaborador do MEE no projeto e professor assistente da HMS.

Aproximando-se do ouvido humano

Para investigar o desempenho de seus euTTs em comparação com TTs convencionais em um na Vivo modelo com relevância para o ouvido humano, os colaboradores testaram sua abordagem em orelhas de chinchilas, padrão-ouro para o estudo de doenças da orelha média e abordagens de tratamento. As chinchilas têm uma membrana timpânica aproximadamente do mesmo tamanho que a dos humanos e uma faixa de frequência auditiva semelhante, e Remenschneider e Kozin os usaram rotineiramente em seu laboratório de pesquisa MEE. “Verificando todas as caixas essenciais, euOs TTs, quando implantados no tímpano das chinchilas, impediram a entrada de água no ambiente, impediram o acúmulo infeccioso, reduziram as cicatrizes e permaneceram limpos para aeração e equalização da pressão”, disse Patel. Pavlichenko acrescentou: “É importante ressaltar que eles preservaram a audição e permitiram uma dosagem mais fácil e confiável de gotas de antibiótico no ouvido médio em comparação com TTs convencionais, o que é particularmente emocionante.” De acordo com Remenschneider, “a dosagem confiável de medicamentos no ouvido médio através euOs TTs abrem as portas para repensar nosso gerenciamento das condições do ouvido médio e até interno, como a perda auditiva.”

“Com base em nossos excelentes resultados de segurança e eficácia, euOs TTs podem ser testados em um ensaio clínico em pacientes humanos. Mas o que nos entusiasma igualmente é estender nossa abordagem de design patenteado a outros IMCs importantes, por exemplo, como derivações para o cérebro, olho e ducto biliar. A tecnologia e o processo de fabricação permitiriam até mesmo a criação de dispositivos personalizados otimizados para características e necessidades específicas de pacientes”, disse Aizenberg. “Nós imaginamos que euAs propriedades materiais e geométricas dos TTs e de outros IMCs no futuro podem sofrer engenharia reversa para adaptá-los a diferentes formulações de medicamentos e torná-los parte do processo de descoberta de medicamentos para uma administração tópica eficiente de terapêutica e tratamento de várias doenças”.

“Este é um exemplo maravilhoso do que pode acontecer quando você tem cientistas, engenheiros e médicos de materiais inovadores trabalhando juntos para criar uma nova abordagem para atender às necessidades específicas dos pacientes”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. ., que também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular no HMS and Boston Children’s Hospital, e o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na SEAS.

Outros autores do estudo são Alison Grinthal, Cathy Zhang, Jack Alvarenga, Michael Kreder, James Weaver, Qin Ji, Christopher Ling, Joseph Choy, Zihan Li e Nicole Black. O estudo foi financiado pelo Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University, National Science Foundation (sob o prêmio # DMR-2011754) e National Institutes of Health (sob o prêmio # R43DC019318 e K08DC018575).