Крошечные беспроводные инъекционные чипы используют ультразвук для мониторинга процессов в организме

Инженеры Columbia разработали самую маленькую однокристальную систему, которая представляет собой полностью функционирующую электронную схему; имплантируемые чипы, видимые только в микроскоп, указывают путь к разработке чипов, которые можно вводить в организм с помощью иглы для подкожных инъекций для мониторинга состояния здоровья.

Имплантируемые медицинские устройства, широко используемые для мониторинга и картирования биологических сигналов, поддержки и улучшения физиологических функций и лечения заболеваний, меняют систему здравоохранения и улучшают качество жизни миллионов людей. Исследователи все больше заинтересованы в разработке беспроводных миниатюрных имплантируемых медицинских устройств для физиологического мониторинга in vivo и in situ. Эти устройства можно использовать для мониторинга физиологических состояний, таких как температура, кровяное давление, уровень глюкозы и дыхания, как для диагностических, так и для терапевтических процедур.

На сегодняшний день обычная имплантированная электроника была очень неэффективной по объему — для нее обычно требуется несколько микросхем, корпусов, проводов и внешних преобразователей, а для хранения энергии часто требуются батареи. Постоянной тенденцией в электронике является более тесная интеграция электронных компонентов, часто перенося все больше и больше функций на саму интегральную схему.

Исследователи из Columbia Engineering сообщают, что они построили, по их словам, самую маленькую в мире однокристальную систему с общим объемом менее 0,1 мм ³ . . Система размером с пылевого клеща и видна только под микроскопом. Для этого команда использовала ультразвук как для питания, так и для беспроводной связи с устройством.

«Мы хотели посмотреть, насколько далеко мы сможем раздвинуть границы возможного создания работающего чипа», — сказал руководитель исследования Кен Шепард, профессор электротехники и биомедицинской инженерии семьи Лау. «Это новая идея «чипа как системы» — это чип, который сам по себе, ни с чем другим, представляет собой полностью функционирующую электронную систему. Это должно стать революцией в разработке беспроводных миниатюрных имплантируемых медицинских устройств, которые могут воспринимать разные вещи, использоваться в клинических целях и, в конечном итоге, одобрены для использования человеком».

Традиционные радиочастотные каналы связи невозможны для такого маленького устройства, потому что длина волны электромагнитной волны слишком велика по сравнению с размером устройства. Поскольку длина волны ультразвука на данной частоте намного меньше, поскольку скорость звука намного меньше скорости света, команда использовала ультразвук как для питания, так и для беспроводной связи с устройством. Они изготовили «антенну» для связи и питания ультразвуком прямо поверх чипа.

Чип, представляющий собой цельную имплантируемую/инъецируемую пылинку без дополнительной упаковки, был изготовлен в Тайваньской компании по производству полупроводников с дополнительными технологическими модификациями, выполненными в чистой комнате Columbia Nano Initiative и Центре перспективных исследований 3+ Городского университета Нью-Йорка (ASRC). Цех нанопроизводства.

Шепард прокомментировал:«Это хороший пример технологии «больше, чем Мур» — мы внедрили новые материалы в стандартный комплементарный металл-оксид-полупроводник, чтобы обеспечить новые функции. В этом случае мы добавили пьезоэлектрические материалы непосредственно в интегральную схему для преобразования акустической энергии в электрическую».

Цель команды — разработать чипы, которые можно вводить в организм с помощью иглы для подкожных инъекций, а затем передавать обратно из организма с помощью ультразвука, предоставляя информацию о том, что они измеряют локально. Текущие устройства измеряют температуру тела, но команда работает над многими другими возможностями.