Kleine, draadloze, injecteerbare chips gebruiken echografie om lichaamsprocessen te bewaken

Columbia Engineers hebben het kleinste systeem met één chip ontwikkeld dat een volledig functionerend elektronisch circuit is; implanteerbare chips die alleen in een microscoop zichtbaar zijn, wijzen de weg naar het ontwikkelen van chips die met een injectienaald in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd om medische aandoeningen te controleren.

Op grote schaal gebruikt om biologische signalen te bewaken en in kaart te brengen, om fysiologische functies te ondersteunen en te verbeteren, en om ziekten te behandelen, veranderen implanteerbare medische apparaten de gezondheidszorg en verbeteren ze de kwaliteit van leven voor miljoenen mensen. Onderzoekers zijn steeds meer geïnteresseerd in het ontwerpen van draadloze geminiaturiseerde implanteerbare medische apparaten voor in vivo en in situ fysiologische monitoring. Deze apparaten kunnen worden gebruikt voor het bewaken van fysiologische omstandigheden, zoals temperatuur, bloeddruk, glucose en ademhaling voor zowel diagnostische als therapeutische procedures.

Tot op heden zijn conventionele geïmplanteerde elektronica zeer volume-inefficiënt - ze vereisen over het algemeen meerdere chips, verpakkingen, draden en externe transducers, en batterijen zijn vaak nodig voor energieopslag. Een constante trend in de elektronica is een strakkere integratie van elektronische componenten, waarbij vaak steeds meer functies naar de geïntegreerde schakeling zelf worden verplaatst.

Onderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze hebben gebouwd wat volgens hen het kleinste systeem met één chip ter wereld is, met een totaal verbruik van minder dan 0,1 mm ³ . Het systeem is zo klein als een huisstofmijt en alleen zichtbaar onder een microscoop. Om dit te bereiken, gebruikte het team ultrageluid om het apparaat zowel draadloos van stroom te voorzien als te communiceren.

"We wilden zien hoe ver we de grenzen konden verleggen van hoe klein een functionerende chip we konden maken", zegt de leider van het onderzoek, Ken Shepard, Lau Family hoogleraar elektrotechniek en hoogleraar biomedische technologie. "Dit is een nieuw idee van 'chip als systeem' - dit is een chip die alleen, met niets anders, een volledig functionerend elektronisch systeem is. Dit zou revolutionair moeten zijn voor de ontwikkeling van draadloze, geminiaturiseerde implanteerbare medische apparaten die verschillende dingen kunnen waarnemen, die in klinische toepassingen kunnen worden gebruikt en uiteindelijk worden goedgekeurd voor menselijk gebruik.”

Traditionele RF-communicatieverbindingen zijn niet mogelijk voor een apparaat dat zo klein is, omdat de golflengte van de elektromagnetische golf te groot is in verhouding tot de grootte van het apparaat. Omdat de golflengten voor ultrageluid veel kleiner zijn bij een bepaalde frequentie omdat de snelheid van het geluid zo veel minder is dan de lichtsnelheid, gebruikte het team ultrageluid om zowel het apparaat van stroom te voorzien als draadloos met het apparaat te communiceren. Ze fabriceerden de "antenne" voor communicatie en voeding met ultrageluid direct bovenop de chip.

De chip, de volledige implanteerbare/injecteerbare splinter zonder extra verpakking, werd vervaardigd bij de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company met aanvullende procesaanpassingen die werden uitgevoerd in de cleanroom van het Columbia Nano Initiative en het Advanced 3+ Research Center (ASRC) van de City University of New York. Nanofabricagefaciliteit.

Shepard merkte op:"Dit is een mooi voorbeeld van 'meer dan Moore'-technologie - we hebben nieuwe materialen geïntroduceerd op een standaard complementaire metaaloxide-halfgeleider om nieuwe functies te bieden. In dit geval hebben we piëzo-elektrische materialen rechtstreeks aan de geïntegreerde schakeling toegevoegd om akoestische energie om te zetten in elektrische energie.”

Het doel van het team is om chips te ontwikkelen die met een injectienaald in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd en vervolgens met behulp van echografie weer uit het lichaam kunnen communiceren, waardoor informatie wordt verstrekt over iets dat ze lokaal meten. De huidige apparaten meten de lichaamstemperatuur, maar er zijn veel meer mogelijkheden waar het team aan werkt.