Science Advances：可生物降解的超声波打开血脑屏障

　　康涅狄格大学的研究人员在6月14日出版的《科学进展》杂志上报告说，一种新型的、可生物降解的超声波比以前的设备更强大，可以使脑癌更容易治疗。

　　

康涅狄格大学的研究人员在6月14日出版的《科学进展》杂志上报告说，一种新型的、可生物降解的超声波比以前的设备更强大，可以使脑癌更容易治疗。

根据美国癌症协会的数据，美国每年有超过2.4万人患脑癌，到2023年，将有超过1.8万美国人死于脑癌。

当一个人被诊断出患有恶性脑肿瘤时，通常会通过手术切除，然后用化疗来清除残留的癌细胞。但脑癌对化疗尤其有抵抗力，因为血管内壁阻止了可能伤害大脑的大分子通过。这也阻止了有用的化学药物和其他治疗方法杀死脑癌细胞和治疗其他脑部疾病。众所周知，通过血脑屏障的一种安全有效的方法是使用超声波振动细胞，使其打开足够大的毛孔，使药物能够通过。

但是让超声波穿透厚厚的人类头骨并不容易。一般来说，在医院接受化疗后，必须在颅骨周围策略性地放置多个强大的超声设备，并立即用核磁共振成像仪仔细聚焦肿瘤部位。这个过程需要五到六个小时，而且强大的超声波可能会对组织造成损害。尽管大多数侵袭性脑癌患者接受数月的化疗，但化疗很少超过一次。病人每次接受化疗时都进行超声检查效果会更好。但由于核磁共振超声检查过程过于繁琐，因此很少进行。

生物医学工程师Thanh Nguyen说:“我们可以通过在大脑内部植入设备来避免这一切。”“我们可以反复使用它，让化疗渗入大脑，杀死肿瘤细胞。”市面上已经有一种可植入的超声设备，但它是由陶瓷材料制成的，有潜在的毒性，必须在治疗结束后通过手术切除。

Nguyen的实验室专门研究可生物降解的压电聚合物。压电是指当小电流通过材料时，材料会产生振动。他们之前已经构建了一种安全的、可生物降解的压电超声大脑植入物，但它没有传统的压电陶瓷那么强大。因此，Nguyen实验室的研究生Thinh T. Le和Meysam Chorsi(由工程教授Horea Ilies和工程院长Kazem Kazerounian共同指导)以及博士后Feng Lin使用了一种全新的技术来生产可生物降解的聚合物超声波，其功能与陶瓷超声波一样强大。

该团队希望使用甘氨酸晶体，甘氨酸是一种氨基酸，是人体中常见的蛋白质，最近被发现具有强压电性。甘氨酸是安全的，可生物降解的，但太多了;它很快溶于水。甘氨酸压电晶体也很脆，很容易破碎，这使得处理这种材料并将其制造成有用的超声波设备极具挑战性。

研究人员想出了一个新颖的解决方案。他们培育出甘氨酸晶体，然后故意将其粉碎成只有几百纳米大小的碎片。然后，他们用聚己内酯(PCL)(一种可生物降解的聚合物)在高压下纺丝(称为静电纺丝的过程)，制成由甘氨酸和PCL纳米纤维组成的压电薄膜。在一个小的驱动电压(~ 0.15 Vrms)下，该薄膜可以产生334千帕斯卡的超声波，与陶瓷超声脑植入物大致相同。研究小组用其他可生物降解的聚合物包裹甘氨酸- pcl薄膜来保护它。聚l -丙交酯(PLLA)，一种可能的涂层，需要大约六周的时间来分解。

研究人员在患有脑癌的老鼠身上测试了这种装置。他们用PTX(紫杉醇)治疗小鼠，PTX是一种有效的化疗化学物质，对脑癌有效，但难以通过血脑屏障。甘氨酸- pcl超声成功地使PTX绕过血脑屏障，肿瘤缩小，与未接受治疗的小鼠相比，治疗使患有脑癌的小鼠的寿命延长了一倍。甘氨酸- pcl超声+ PTX联合治疗对小鼠也比单独使用PTX或PTX和来自Nguyen实验室基于PLLA的生物可降解超声设备的原始版本的超声波治疗有效得多。

除了上述的治疗效果外，研究小组已经对植入大脑的装置进行了为期六个月的安全观察，发现它对老鼠的健康没有不利影响。他们现在将开始在大型动物身上测试这种药物的安全性和有效性。

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Highly piezoelectric, biodegradable and flexible amino acid nanofibers for medical applications