En version av det keramiska skalleimplantatet som utvecklats av ett UC Riverside-ledt team av forskare. Upphovsman:David Baillot, Jacobs School of Engineering
Hjärnkirurgi med ultraljud har enorm potential för behandling av neurologiska sjukdomar och cancer, men att få ljudvågor genom skallen och in i hjärnan är ingen lätt uppgift. För att lösa detta problem, ett team av forskare från University of California, Riverside har utvecklat ett keramiskt skallimplantat genom vilket läkare kan leverera ultraljudsbehandlingar på begäran och på återkommande basis.
Med titeln "Novel Cranial Implants of Yttria Stabilized Zirconia as Acoustic Window for Ultrasonic Brain Therapy, "Ett papper som beskriver forskningen publicerades idag i tidningen Avancerat vårdmaterial . Guillermo Aguilar, professor och ordförande i maskinteknik vid UCR:s Bourns College of Engineering, och Javier E. Garay, professor i mekanisk och rymdteknik vid UC San Diegos Jacobs School of Engineering, ledde projektet med forskare från Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), i México City. Det aktuella dokumentet utökar arbetet som utförs av UCR:s internationella, tvärvetenskapligt projekt 'Fönster till hjärnan', ett partnerskap med UC San Diego och tre forskningsinstitutioner i Mexiko.
Ultraljud - ljudvågor som har en högre frekvens än de som hörs för människor - kan användas för att behandla olika hjärnstörningar, inklusive Alzheimers och Parkinsons sjukdomar. Ultraljud kan också användas för att döda cancerceller, lösa upp blodproppar under stroke, och öppna blod-hjärnbarriären för att förbättra läkemedelstillförseln.
Dock, den mänskliga skallen, kallas kraniet, är mellan 2 och 8 mm tjock och relativt tät, vilket innebär att de flesta ljudvågor reflekteras eller absorberas innan de kommer in i hjärnan.
För att hjälpa läkare att leverera terapeutiska ljudvågor till hjärnan, teamet utvecklade och testade en transparent, keramiskt material som kan användas för att ersätta en del av kraniet och som gör det enkelt, riktad överföring av ultraljudsvågor in i hjärnan. Materialet, vilket är en ny variant av det keramiska materialet Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), är icke-porös, tillåter icke-fokaliserat, lågintensiva ultraljudsvågor att passera.
Keramiska material är mycket lovande eftersom de är biokompatibla, extremt svårt, och splittringsbeständig, vilket gör dem idealiska för implantat. Teamet har tidigare utvecklat ett YSZ kranial implantatmaterial för laserbaserade terapier, som redan befinner sig i prekliniska prövningar. Det nuvarande materialet skulle kunna användas för att leverera både ultraljud och laserbaserade behandlingar.
UC Riverside -forskare har utvecklat ett keramiskt kranialimplantat genom vilket läkare kan leverera ultraljudsbehandlingar för hjärnstörningar och cancer. Kredit:UC Riverside
"Dessa material används redan i tandkronor och höftproteser, och vårt team arbetar för att utöka sin tillämpning till diagnos och behandling av en mängd olika hjärnpatologier och neurologiska störningar, "Sa Aguilar.
"Att utveckla ett optiskt och radiofrekvent transparent kranialimplantat var redan en spännande prestation, och vi fortsätter att arbeta för att göra detta implantat till verklighet. Nu, bevisar att ultraljud kan överföras genom implantatet kan utöka dess terapeutiska kapacitet ytterligare. "
UCSD:s Garay, som tidigare ledde UCR:s materialvetenskapliga och tekniska program, sa att resultaten kunde förlänga tillämpningen av zirkoniumoxid, ett material som ibland kallas "keramikens stål" på grund av dess mångsidighet.
"Det är viktigt att inse att zirkoniumoxiden vi utvecklade fungerar bra för den här applikationen eftersom vi konstruerade den för att ha låg porositet. Porositet, en vanlig defekt i keramik tillverkad med traditionella metoder, avsevärt försämrar ultraljudsöverföringen som vi visar i detta dokument, " sa Garay.
Förutom Aguilar och Garay, bidragsgivare är:Mario Gutierrez, en postdoktor i Aguilars grupp under detta projekt, och nu CONACYT-forskare vid Instituto Nacional de Rehabilitación, Subdirección de Investigación Tecnológica (DIIM) i Mexico City, vem är första författare på tidningen; professorerna Lorenzo Leija och Arturo Vera, forskare vid CINVESTAV del IPN i México City; och Elias Penilla, en postdoktor vid UC San Diego som avslutade arbetet som doktorand vid UCR.
UCR Office of Technology Commercialization har lämnat in en patentansökan för ovanstående uppfinningar.
