Er det små, trådløse, injicerbare chips, der bruger ultralyd til at overvåge kropsprocesser?


Columbia-ingeniører udvikler det mindste single-chip-system, der er et komplet fungerende elektronisk kredsløb; implanterbare chips, der kun er synlige i et mikroskop, viser vejen til udvikling af chips, der kan sprøjtes ind i kroppen med en injektionsnål.

Implantabelt medicinsk udstyr, der i vid udstrækning anvendes til at overvåge og kortlægge biologiske signaler, til at støtte og forbedre fysiologiske funktioner og til at behandle sygdomme, ændrer sundhedsvæsenet og forbedrer livskvaliteten for millioner af mennesker. Forskere er i stigende grad interesseret i at designe trådløst, miniaturiseret, implantabelt medicinsk udstyr til in vivo og in situ fysiologisk overvågning. Disse anordninger kan bruges til at overvåge fysiologiske forhold som f.eks. temperatur, blodtryk, glukose og åndedræt med henblik på både diagnostiske og terapeutiske procedurer.

Hidtil har konventionel implanteret elektronik været meget ineffektivt i forhold til volumen - de kræver generelt flere chips, emballage, ledninger og eksterne transducere, og der er ofte brug for batterier til energilagring. En konstant tendens inden for elektronikken har været en tættere integration af elektroniske komponenter, hvor flere og flere funktioner ofte er flyttet over på selve det integrerede kredsløb.

Forskere fra Columbia Engineering rapporterer, at de har bygget hvad de siger er verdens mindste single-chip-system, der har et samlet volumen på mindre end 0,1 mm.3. Systemet er så lille som en støvmide og kan kun ses i et mikroskop. For at opnå dette har holdet brugt ultralyd til både at forsyne og kommunikere trådløst med enheden. Undersøgelsen blev offentliggjort online den 7. maj i Science Advances.

"Vi ville se, hvor langt vi kunne gå for at skubbe grænserne for, hvor lille en fungerende chip vi kunne lave," siger lederen af undersøgelsen Ken Shepard, Lau Family professor i elektroteknik og professor i biomedicinsk teknik. "Det er en ny idé om 'chip som system' - det er en chip, der alene, uden noget andet, er et komplet fungerende elektronisk system. Det burde være revolutionerende for udviklingen af trådløst, miniaturiseret, implantabelt medicinsk udstyr, der kan registrere forskellige ting, anvendes i kliniske applikationer og i sidste ende godkendes til brug på mennesker."

Holdet omfattede også Elisa Konofagou, Robert og Margaret Hariri professor i biomedicinsk teknik og professor i radiologi, samt Stephen A. Lee, ph.d.-studerende i Konofagous laboratorium, som hjalp med dyreforsøgene.

Designet blev udført af ph.d.-studerende Chen Shi, som er førsteforfatter til undersøgelsen. Shis design er unikt i sin volumetriske effektivitet, dvs. den mængde funktion, der er indeholdt i en given mængde volumen. Traditionelle RF-kommunikationsforbindelser er ikke mulige for en så lille enhed, fordi bølgelængden af den elektromagnetiske bølge er for stor i forhold til enhedens størrelse. Da bølgelængderne for ultralyd er meget mindre ved en given frekvens, fordi lydhastigheden er meget mindre end lysets hastighed, brugte holdet ultralyd til både at forsyne enheden med strøm og kommunikere trådløst med den. De fremstillede "antennen" til kommunikation og strømforsyning med ultralyd direkte oven på chippen.

Chippen, som er hele den implantable/injicerbare mote uden yderligere emballage, blev fremstillet hos Taiwan Semiconductor Manufacturing Company med yderligere procesmodifikationer udført i Columbia Nano Initiatives renrum og City University of New York Advanced Science Research Center (ASRC) Nanofabrikationsfacilitet.

Shepard kommenterede: "Dette er et godt eksempel på "mere end Moore"-teknologi - vi introducerede nye materialer til standard komplementær metaloxid-halvleder for at give nye funktioner. I dette tilfælde har vi tilføjet piezoelektriske materialer direkte på det integrerede kredsløb for at omdanne akustisk energi til elektrisk energi."

Konofagou tilføjede: "Ultralyd får stadig større klinisk betydning, efterhånden som nye værktøjer og teknikker bliver tilgængelige. Dette arbejde fortsætter denne tendens."

Holdets mål er at udvikle chips, der kan sprøjtes ind i kroppen med en injektionsnål og derefter kommunikere tilbage ud af kroppen ved hjælp af ultralyd og give oplysninger om noget, de måler lokalt. De nuværende enheder måler kropstemperaturen, men der er mange flere muligheder, som holdet arbejder på.

###

Om undersøgelsen

Undersøgelsen har titlen "Application of a sub-0.1-mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing".

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

1 Institut for Elektroteknik, Columbia University

2Afdelingen for biomedicinsk teknik, Columbia University

3Dafdelingen for mikroelektronik, Delft University of Technology, Holland

4Radiologiafdelingen, Columbia University

Undersøgelsen blev delvist støttet af et tilskud fra W. M. Keck Foundation og af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) under kontrakt HR0011-15-2-0054 og samarbejdsaftale D20AC00004.

Chen Shi og Kenneth L. Shepard er opført som opfindere på et foreløbigt patent, der er indgivet af Columbia University (patentansøgning nr. 15/911,973). De øvrige forfattere erklærer ingen konkurrerende interesser.

LINKS:

Papir: https://forskud.videnskabsmagasin.org/indhold/7/19/eabf6312

DOI: 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.columbia.edu/

http://advances.videnskabsmagasin.org/

https://teknik.columbia.edu/fakultetet/ken-shepard

http://www.ee.columbia.edu/

http://bme.columbia.edu/

http://cni.columbia.edu/cni


Hvad er din reaktion?

confused confused
2
confused
fail fail
1
fail
love love
2
love
lol lol
3
lol
omg omg
2
omg
win win
1
win