Echografie van hersenchirurgie heeft een enorm potentieel voor de behandeling van neurologische ziekten en kankers, maar het is geen gemakkelijke taak om geluidsgolven door de schedel en in de hersenen te krijgen. Om dit probleem aan te pakken, een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside heeft een keramisch schedelimplantaat ontwikkeld waarmee artsen op verzoek en op terugkerende basis echografiebehandelingen kunnen geven.

Getiteld "Nieuwe schedelimplantaten van met yttria gestabiliseerd zirkoniumoxide als akoestisch venster voor ultrasone hersentherapie, " een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg . Guillermo Aguilar, professor en voorzitter van werktuigbouwkunde in UCR's Bourns College of Engineering, en Javier E. Garay, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Jacobs School of Engineering van UC San Diego, leidde het project met onderzoekers van Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), in Mexico-Stad. Het huidige document is een uitbreiding van het werk dat wordt gedaan door de internationale, interdisciplinair project 'Window to the Brain', een samenwerking met UC San Diego en drie onderzoeksinstellingen in Mexico.

Echografie—geluidsgolven die een hogere frequentie hebben dan die voor mensen hoorbaar zijn—kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan hersenaandoeningen te behandelen, waaronder de ziekte van Alzheimer en Parkinson. Echografie kan ook worden gebruikt om kankercellen te doden, bloedstolsels oplossen tijdens een beroerte, en open de bloed-hersenbarrière om de medicijnafgifte te verbeteren.

Echter, de menselijke schedel, de schedel genoemd, is tussen de 2 en 8 mm dik en relatief dicht, wat betekent dat de meeste geluidsgolven worden gereflecteerd of geabsorbeerd voordat ze de hersenen bereiken.

Om artsen te helpen therapeutische geluidsgolven in de hersenen te brengen, het team ontwikkelde en testte een transparante, keramisch materiaal dat kan worden gebruikt om een ​​deel van de schedel te vervangen en dat gemakkelijk, gerichte overdracht van ultrasone golven naar de hersenen. Het materiaal, wat een nieuwe variant is van het keramische materiaal Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), is niet-poreus, waardoor niet-gefocusseerde, ultrasone golven met een lage intensiteit om doorheen te gaan.

Keramische materialen zijn veelbelovend omdat ze biocompatibel zijn, extreem hard, en breukvast, waardoor ze ideaal zijn voor implantaten. Het team ontwikkelde eerder een YSZ schedelimplantaatmateriaal voor op laser gebaseerde therapieën, die zich al in preklinische proeven bevindt. Het huidige materiaal zou kunnen worden gebruikt voor zowel ultrasone als lasergebaseerde behandelingen.

"Deze materialen worden al gebruikt in tandkronen en heupprothesen, en ons team werkt eraan om hun toepassing uit te breiden tot de diagnose en behandeling van een breed scala aan hersenpathologieën en neurologische aandoeningen, ' zei Aguilar.

"Het ontwikkelen van een optisch en radiofrequent transparant schedelimplantaat was al een opwindende prestatie, en we blijven werken om dit implantaat te realiseren. Nutsvoorzieningen, bewijzen dat ultrageluid via het implantaat kan worden overgedragen, zou de therapeutische mogelijkheden nog verder kunnen uitbreiden."

UCSD's Garay, die eerder voorzitter was van UCR's Materials Science and Engineering Program, zei dat de bevindingen de toepassing van zirkoniumoxide zouden kunnen uitbreiden, een materiaal dat vanwege zijn veelzijdigheid soms het "staal van keramiek" wordt genoemd.

"Het is belangrijk om te beseffen dat het zirkonium dat we hebben ontwikkeld goed werkt voor deze toepassing, omdat we het zo hebben ontworpen dat het een lage porositeit heeft. Porositeit, een veelvoorkomend defect in keramiek geproduceerd met traditionele methoden, de overdracht van ultrageluid aanzienlijk verslechtert, zoals we in dit artikel laten zien, ' zei Garay.

Naast Aguilar en Garay, medewerkers zijn:Mario Gutierrez, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Aguilar tijdens dit project, en nu een CONACYT-onderzoeker aan het Instituto Nacional de Rehabilitación, Subdirección de Investigación Tecnológica (DIIM) in Mexico-Stad, wie is de eerste auteur van het papier; professoren Lorenzo Leija en Arturo Vera, onderzoekers van CINVESTAV del IPN in México City; en Elias Penilla, een postdoctoraal onderzoeker aan UC San Diego die het werk voltooide als afgestudeerde student aan UCR.

Het UCR Office of Technology Commercialization heeft een octrooiaanvraag ingediend voor de bovenstaande uitvindingen.