Überwachen winzige, kabellose, injizierbare Chips mit Ultraschall Körperprozesse?


Columbia-Ingenieure entwickeln das kleinste Single-Chip-System, das eine komplette funktionierende elektronische Schaltung ist; implantierbare, nur im Mikroskop sichtbare Chips weisen den Weg zur Entwicklung von Chips, die mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können.

Implantierbare medizinische Geräte, die zur Überwachung und Abbildung biologischer Signale, zur Unterstützung und Verbesserung physiologischer Funktionen und zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, verändern das Gesundheitswesen und verbessern die Lebensqualität von Millionen von Menschen. Forscher sind zunehmend an der Entwicklung drahtloser, miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte für die physiologische in vivo und in situ Überwachung interessiert. Diese Geräte könnten zur Überwachung physiologischer Zustände wie Temperatur, Blutdruck, Glukose und Atmung sowohl für diagnostische als auch therapeutische Verfahren eingesetzt werden.

Bislang ist konventionelle implantierte Elektronik sehr volumenineffizient - sie benötigt in der Regel mehrere Chips, Gehäuse, Drähte und externe Wandler, und zur Energiespeicherung sind oft Batterien erforderlich. Ein ständiger Trend in der Elektronik ist die engere Integration elektronischer Komponenten, wobei oft immer mehr Funktionen auf den integrierten Schaltkreis selbst verlagert werden.

Forscher von Columbia Engineering berichten, dass sie das nach eigenen Angaben weltweit kleinste Single-Chip-System gebaut haben, das ein Gesamtvolumen von weniger als 0,1 mm benötigt3. Das System ist so klein wie eine Staubmilbe und nur unter einem Mikroskop sichtbar. Um dies zu erreichen, nutzte das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos mit ihm zu kommunizieren. Die Studie wurde am 7. Mai online in Science Advances veröffentlicht.

"Wir wollten sehen, wie weit wir die Grenzen ausloten können, wie klein ein funktionierender Chip sein kann", sagt der Leiter der Studie Ken Shepard, Lau Family Professor für Elektrotechnik und Professor für Biomedizintechnik. "Dies ist eine neue Idee von 'Chip als System' - das ist ein Chip, der allein, mit nichts anderem, ein komplettes funktionierendes elektronisches System ist. Das sollte revolutionär sein für die Entwicklung drahtloser, miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte, die verschiedene Dinge abtasten, in klinischen Anwendungen eingesetzt und schließlich für den menschlichen Gebrauch zugelassen werden können."

Zum Team gehörten auch Elisa Konofagou, Robert und Margaret Hariri Professorin für Biomedizinische Technik und Professorin für Radiologie, sowie Stephen A. Lee, Doktorand im Labor von Konofagou, der bei den Tierstudien assistierte.

Der Entwurf stammt von Doktorand Chen Shi, der Erstautor der Studie ist. Shis Design ist einzigartig in seiner volumetrischen Effizienz, also der Menge an Funktion, die in einer bestimmten Menge an Volumen enthalten ist. Traditionelle HF-Kommunikationsverbindungen sind für ein so kleines Gerät nicht möglich, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle im Verhältnis zur Größe des Geräts zu groß ist. Da die Wellenlängen für Ultraschall bei einer gegebenen Frequenz viel kleiner sind, weil die Schallgeschwindigkeit so viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, verwendete das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos mit ihm zu kommunizieren. Sie fertigten die "Antenne" für die Kommunikation und Stromversorgung mit Ultraschall direkt auf dem Chip.

Der Chip, bei dem es sich um den gesamten implantierbaren/injizierbaren Mote ohne zusätzliche Verpackung handelt, wurde bei der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company hergestellt, wobei zusätzliche Prozessmodifikationen im Reinraum der Columbia Nano Initiative und der City University of New York Advanced Science Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility durchgeführt wurden.

Shepard kommentiert: "Dies ist ein schönes Beispiel für 'more than Moore'-Technologie - wir haben neue Materialien auf standardmäßige komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter gebracht, um neue Funktionen zu ermöglichen. In diesem Fall haben wir piezoelektrische Materialien direkt auf dem integrierten Schaltkreis hinzugefügt, um akustische Energie in elektrische Energie umzuwandeln."

Konofagou fügte hinzu: "Die klinische Bedeutung des Ultraschalls nimmt weiter zu, da neue Werkzeuge und Techniken verfügbar werden. Diese Arbeit setzt diesen Trend fort."

Das Ziel des Teams ist es, Chips zu entwickeln, die mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können und dann mit Ultraschall zurück aus dem Körper kommunizieren und Informationen über etwas liefern, das sie lokal messen. Die aktuellen Geräte messen die Körpertemperatur, aber es gibt noch viele weitere Möglichkeiten, an denen das Team arbeitet.

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Über die Studie

Die Studie trägt den Titel "Application of a sub-0.1-mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing."

Die Autoren sind: Chen Shi1, Victoria Andino-Pavlovsky1, Stephen A. Lee2, Tiago Costa1,3, Jeffrey Elloian1, Elisa E. Konofagou2,4, Kenneth L. Shepard1,2

1 Abteilung für Elektrotechnik, Columbia University

2Abteilung für Biomedizinische Technik, Columbia University

3Department of Microelectronics, Delft University of Technology, Die Niederlande

4Abteilung für Radiologie, Columbia University

Die Studie wurde zum Teil durch einen Zuschuss der W. M. Keck Foundation und durch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unter Vertrag HR0011-15-2-0054 und Cooperative Agreement D20AC00004 unterstützt.

Chen Shi und Kenneth L. Shepard sind als Erfinder in einem von der Columbia University eingereichten vorläufigen Patent aufgeführt (Patentanmeldung Nr. 15/911,973). Die anderen Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

LINKS:

Papier: https://Vorschüsse.sciencemag.org/Inhalt/7/19/eabf6312

DOI: 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.Kolumbien.edu/

http://advances.sciencemag.org/

https://Technik.Kolumbien.edu/Fachbereich/ken-shepard

http://www.ee.Kolumbien.edu/

http://bme.Kolumbien.edu/

http://cni.Kolumbien.edu/cni


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