At få terapeutiske lydbølger gennem tykke kranier

Ultralyds hjernekirurgi har et enormt potentiale til behandling af neurologiske sygdomme og kræftformer, men at få lydbølger gennem kraniet og ind i hjernen er ingen let opgave. For at løse dette problem, et team af forskere fra University of California, Riverside har udviklet et keramisk kranieimplantat, hvorigennem læger kan levere ultralydsbehandlinger efter behov og på tilbagevendende basis.

Med titlen "Nye kraniale implantater af Yttria stabiliseret zirkonium som akustisk vindue til ultralyds hjerneterapi, "et papir, der beskriver forskningen, blev i dag offentliggjort i tidsskriftet Avanceret sundhedsmateriale . Guillermo Aguilar, professor og formand for maskinteknik i UCR's Bourns College of Engineering, og Javier E. Garay, professor i mekanik og rumfartsteknik i UC San Diego's Jacobs School of Engineering, ledet projektet med forskere fra Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), i Mexico City. Det nuværende papir udvider det arbejde, der udføres af UCR's internationale, tværfagligt 'Vindue til hjernen' projekt, et partnerskab med UC San Diego og tre forskningsinstitutioner i Mexico.

Ultralyd - lydbølger, der har en højere frekvens end dem, der kan høres for mennesker - kan bruges til at behandle en række forskellige hjernesygdomme, herunder Alzheimers og Parkinsons sygdomme. Ultralyd kan også bruges til at dræbe kræftceller, opløse blodpropper under slagtilfælde, og åbne blod-hjerne-barrieren for at forbedre lægemiddeltilførslen.

Imidlertid, det menneskelige kranium, kaldet kraniet, er mellem 2 og 8 mm tyk og relativt tæt, hvilket betyder, at de fleste lydbølger reflekteres eller absorberes, før de kommer ind i hjernen.

For at hjælpe læger med at levere terapeutiske lydbølger ind i hjernen, teamet udviklede og testede en gennemsigtig, keramisk materiale, der kan bruges til at erstatte en del af kraniet, og som gør det let, målrettet transmission af ultralydsbølger ind i hjernen. Materialet, som er en ny variation af det keramiske materiale Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), er ikke-porøs, tillader ikke-fokaliseret, lavintensitets ultralydsbølger til at passere igennem.

Keramiske materialer viser et betydeligt løfte, fordi de er biokompatible, ekstremt hårdt, og splintresistent, gør dem ideelle til implantater. Teamet har tidligere udviklet et YSZ kranialt implantatmateriale til laserbaserede terapier, som allerede er i prækliniske forsøg. Det nuværende materiale kan bruges til at levere både ultralyd og laserbaserede behandlinger.

"Disse materialer bruges allerede i tandkroner og hofteerstatninger, og vores team arbejder på at udvide deres anvendelse til at diagnosticere og behandle en lang række forskellige hjernepatologier og neurologiske lidelser, "Sagde Aguilar.

"At udvikle et optisk og radiofrekvent gennemsigtigt kranialimplantat var allerede en spændende bedrift, og vi fortsætter med at arbejde på at gøre dette implantat til virkelighed. Nu, at bevise, at ultralyd kunne overføres gennem implantatet, kunne udvide dets terapeutiske kapacitet endnu mere. "

UCSD's Garay, der tidligere var formand for UCR's Materials Science and Engineering Program, sagde, at fundene kunne forlænge anvendelsen af ​​zirconia, et materiale, der undertiden kaldes "keramikstål" på grund af dets alsidighed.

"Det er vigtigt at forstå, at zirkoniet, vi udviklede, fungerer godt til denne applikation, fordi vi konstruerede det til at have lav porøsitet. Porøsitet, en almindelig defekt i keramik fremstillet ved traditionelle metoder, forværrer signifikant ultralydstransmission, som vi viser i dette papir, "Sagde Garay.

Udover Aguilar og Garay, bidragydere er:Mario Gutierrez, en postdoktor i Aguilars gruppe under dette projekt, og nu en CONACYT -stipendiat ved Instituto Nacional de Rehabilitación, Subdirección de Investigación Tecnológica (DIIM) i Mexico City, hvem er førsteforfatter på papiret; professorer Lorenzo Leija og Arturo Vera, forskere ved CINVESTAV del IPN i Mexico City; og Elias Penilla, en postdoktor ved UC San Diego, der afsluttede arbejdet som kandidatstuderende ved UCR.

UCR Office of Technology Commercialization har indgivet en patentansøgning for opfindelserne ovenfor.