Naukowcy z University of California w Riverside opracowali transparentny implant czaszki z tlenku cyrkonu stabilizowanego tlenkiem itru (YSZ), który dosłownie jest “oknem do mózgu”. Implant otwiera nowe możliwości leczenia pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi, np. raka lub urazów mózgu.
Zespół wykonał implant z materiału ceramicznego, który obecnie stosowany jest w protezach udowych oraz koronach dentystycznych. Tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru (z ang. yttria-stabilized zirconia, YSZ) powstaje poprzez dotowanie tlenku cyrkonu (ZrO2) tlenkiem itru (Y2O3) (dodatek 3–8%). Materiał bazuje na strukturze krystalicznej tlenku cyrkonu. Jednak implant stworzony przez badaczy z UCR różni się od standardowych spieków YSZ – jest przezroczysty.
Protezy z YSZ są biokompatybilne – aplikacje wykonane z tego materiału przez lata były dobrze przyjmowane przez ludzki organizm. Transparentne implanty z YSZ umożliwią wykonywanie laserowych zabiegów na mózgu bez konieczności powtarzania kraniotomii czyli operacyjnego otwarcia czaszki. Terapie na bazie lasera wykazują znaczącą poprawę zdrowia pacjentów z zaburzeniami mózgu. Do tej pory najczęściej stosowano inwazyjny, drogi ale przede wszystkim ryzykowny zabieg kraniotomii. Implanty z YSZ wszczepione na stale mogą rozwiązać problem powtarzanych zabiegów operacyjnych, gdyż wiązki laserów, które nie były w stanie przeniknąć przez czaszkę, bez przeszkód przejdą przez przezroczystą strukturę YSZ.
Aby uzyskać transparentność zespół naukowców pod kierownictwem Guillermo Aguilara wykorzystał wysokotemperaturowy i wysokociśnieniowy proces CAPAD (z ang. Current-Activated, Pressure-Assisted Densification). Tradycyjna struktura krystalicznej YSZ została przekształcona na nanokrystaliczną (nc-YSZ). Technika polegała na zmniejszeniu wielkości porów w materiale do wymiarów nanometrycznych, dzięki czemu nc-YSZ przepuszczał, a nie rozpraszał wiązki promieni światła widzialnego. Naukowcy, którzy prowadzili badania nad technologią CAPAD w 2008 roku, otrzymali ziarna YSZ o średniej wielkości 55nm.
Spieki przygotowane za pomocą CAPAD zostały odprężone, wypolerowane i pocięte na prostokąty o wymiarach 2,1×4,2×0,2cm.
Pierwsze testy implantów odbyły się na myszach. Do osadzenia implantu naukowcy użyli cementu dentystycznego. Zabieg przeprowadzono po prawej stronie czaszki. Następnie za pomocą badania OCT (optycznej tomografii koherencyjnej) badacze uzyskali zdjęcia podpowierzchniowych obszarów czaszki. Obrazy uzyskane po prawej strony czaszki (z implantem YSZ) były znacznie wyraźniejsze niż te po lewej. Naukowcy dodali, że siła sygnału na prawie każdej głębokości była dużo wyższa, dzięki obrazowaniu za pomocą YSZ.
Implanty z YSZ nie są pierwszymi przezroczystymi implantami czaszki, ale są pierwszymi, które mogą być realnie stosowane u ludzi. Wytrzymałość materiału sprawia, że implant jest bardziej odporny na wstrząsy i uderzenia niż uprzednio tworzone implanty na bazie szkła. Trwałość minimalizuje także konieczność stosowania ochraniaczy głowy.
“Okna na mózg” mogą być wykorzystywane nie tylko podczas leczenia za pomocą lasera, ale także to monitorowania obrzęku mózgu.
Źródło:
[1] Transparent Nanocrystalline Yttria-Stabilized-Zirconia Calvarium Prosthesis. Yasaman Damestani, Carissa L. Reynolds, Jenny Szu, Mike S. Hsu, Yasuhiro Kodera, Devin K. Binder, B. Hyle Park, Javier E. Garay, Masaru P.Rao, Guillermo Aguilar
[2] http://ucrtoday.ucr.edu/17262 | 06.09.2013
[3] http://io9.com/this-transparent-skull-implant-is-literally-a-window-t-1257556976 | 06.09.2013
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Yttria-stabilized_zirconia | 06.09.2013
[5] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359646207008068 | 06.09.2013
[6] http://www.me.ucr.edu/news_spotlights/YSZ%20Cranial%20impants
%202013%20Nanomed%20Nanotechnol.pdf | 06.09.2013
[7] Brain cell(s) by Jean-Etienne Minh-Duy Poirrier (jepoirrier), flickr.com, CC BY-SA 2.0