Miniatuur draadloze chip gebruikt ultrasoon om lichaamsprocessen te monitoren

Columbia Engineers hebben het kleinste enkel-chip-systeem ontwikkeld dat een compleet functionerend elektronisch circuit is; implanteerbare chips die alleen zichtbaar zijn onder een microscoop wijzen de weg naar het ontwikkelen van chips die in het lichaam geïnjecteerd kunnen worden met een hypodermische naald om medische condities te monitoren.

Wijd gebruikt om biologische signalen te monitoren en te karteren, om fysiologische functies te ondersteunen en te verbeteren, en om ziekten te behandelen, transformeren implanteerbare medische apparaten de gezondheidszorg en verbeteren de kwaliteit van leven voor miljoenen mensen. Onderzoekers zijn toenemend geïnteresseerd in het ontwerpen van gedraagde geminiaturiseerde implanteerbare medische apparaten voor in vivo en in situ fysiologische monitoring. Deze apparaten kunnen gebruikt worden om fysiologische condities te monitoren, zoals temperatuur, bloeddruk, glucose, en ademhaling voor zowel diagnostische als therapeutische procedures.

Tot nu toe zijn conventionele geïmplanteerde elektronica hoog volume-inefficiënt — ze vereisen doorgaans meerdere chips, verpakking, draden, en externe transducers, en batterijen zijn vaak nodig voor energielopslag. Een constante trend in elektronica is nauwere integratie van elektronische componenten, vaak meer en meer functies op de geïntegreerde schakeling zelf verplaatsend.

Onderzoekers van Columbia Engineering rapporteren dat ze hebben gebouwd wat ze zeggen is 's werelds kleinste enkel-chip-systeem, dat een totale volume van minder dan 0,1 mm³ verbruikt. Het systeem is zo klein als een stofmijt en alleen zichtbaar onder een microscoop. Om dit te bereiken, gebruikte het team ultrasoon om het apparaat zowel te voeden als er draadloos mee te communiceren.

"We wilden zien hoe ver we de limieten konden duwen op hoe klein een functionerende chip we konden maken," zei de studie-leider Ken Shepard, Lau Family professor elektrische engineering en professor biomedische engineering. "Dit is een nieuw idee van 'chip als systeem' — dit is een chip die alleen, zonder iets anders, een compleet functionerend elektronisch systeem is. Dit zou revolutionair moeten zijn voor het ontwikkelen van draadloze, geminiaturiseerde implanteerbare medische apparaten die verschillende dingen kunnen voelen, gebruikt kunnen worden in klinische toepassingen, en uiteindelijk goedgekeurd voor menselijk gebruik."

Traditionele RF-communicatielinks zijn niet mogelijk voor een apparaat zo klein omdat de golflengte van de elektromagnetische golf te groot is ten opzichte van de grootte van het apparaat. Omdat de golflengtes voor ultrasoon veel kleiner zijn bij een gegeven frequentie omdat de snelheid van geluid zoveel minder is dan de snelheid van licht, gebruikte het team ultrasoon om het apparaat zowel te voeden als er draadloos mee te communiceren. Ze fabriceren de "antenne" voor communiceren en voeden met ultrasoon direct op de chip.

De chip, die het volledige implanteerbare/injecteerbare mote is zonder extra verpakking, werd gefabriceerd bij Taiwan Semiconductor Manufacturing Company met additionele proceswijzigingen uitgevoerd in de Columbia Nano Initiative cleanroom en de City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Nanofabricatie-faciliteit.

Shepard merkte op, "Dit is een mooi voorbeeld van 'more than Moore' technologie — we introduceerden nieuwe materialen op een standaard complementaire metal-oxide-halfgeleider om nieuwe functies te bieden. In dit geval voegden we piezo-elektrische materialen direct op de geïntegreerde schakeling toe om akoestische energie om te zetten in elektrische energie."

Het team's doel is om chips te ontwikkelen die in het lichaam geïnjecteerd kunnen worden met een hypodermische naald en dan communiceren terug uit het lichaam met ultrasoon, informatie verschaffend over iets wat ze lokaal meten. De huidige apparaten meten lichaamstemperatuur, maar er zijn veel meer mogelijkheden waar het team aan werkt.