¿Son diminutos chips inyectables e inalámbricos los que utilizan los ultrasonidos para controlar los procesos corporales?


Los ingenieros de Columbia desarrollan el sistema más pequeño de un solo chip que es un circuito electrónico completo en funcionamiento; los chips implantables visibles sólo en un microscopio señalan el camino para desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con una aguja hipodérmica.

Los dispositivos médicos implantables, ampliamente utilizados para controlar y cartografiar señales biológicas, apoyar y mejorar las funciones fisiológicas y tratar enfermedades, están transformando la asistencia sanitaria y mejorando la calidad de vida de millones de personas. Los investigadores están cada vez más interesados en diseñar dispositivos médicos implantables miniaturizados e inalámbricos para la monitorización fisiológica in vivo e in situ. Estos dispositivos podrían utilizarse para controlar condiciones fisiológicas como la temperatura, la presión arterial, la glucosa y la respiración, tanto para procedimientos de diagnóstico como terapéuticos.

Hasta la fecha, la electrónica implantada convencional ha sido muy ineficiente en cuanto a volumen: suele requerir múltiples chips, embalajes, cables y transductores externos, y a menudo se necesitan baterías para el almacenamiento de energía. Una tendencia constante en la electrónica ha sido la de integrar más estrechamente los componentes electrónicos, trasladando a menudo cada vez más funciones al propio circuito integrado.

Investigadores de Columbia Engineering informan de que han construido lo que dicen que es el sistema de un solo chip más pequeño del mundo, que consume un volumen total de menos de 0,1 mm3. El sistema es tan pequeño como un ácaro del polvo y sólo es visible con un microscopio. Para conseguirlo, el equipo utilizó ultrasonidos para alimentar el dispositivo y comunicarse con él de forma inalámbrica. El estudio se publicó en línea el 7 de mayo en Science Advances.

"Queríamos ver hasta dónde podíamos llevar los límites del tamaño de un chip funcional", dijo el director del estudio, Ken Shepard, profesor de ingeniería eléctrica de la Familia Lau y profesor de ingeniería biomédica. Se trata de una nueva idea de "chip como sistema": un chip que por sí solo, sin nada más, es un sistema electrónico completo que funciona. Esto debería ser revolucionario para el desarrollo de dispositivos médicos implantables miniaturizados e inalámbricos que puedan detectar diferentes cosas, ser utilizados en aplicaciones clínicas y, finalmente, ser aprobados para el uso humano."

El equipo también incluía a Elisa Konofagou, catedrática de ingeniería biomédica y profesora de radiología Robert y Margaret Hariri, así como a Stephen A. Lee, estudiante de doctorado en el laboratorio de Konofagou que colaboró en los estudios con animales.

El diseño fue realizado por el estudiante de doctorado Chen Shi, que es el primer autor del estudio. El diseño de Shi es único por su eficiencia volumétrica, es decir, la cantidad de función que contiene un volumen determinado. Los enlaces de comunicaciones por radiofrecuencia tradicionales no son posibles para un dispositivo tan pequeño porque la longitud de onda de la onda electromagnética es demasiado grande en relación con el tamaño del dispositivo. Como las longitudes de onda de los ultrasonidos son mucho más pequeñas a una frecuencia determinada porque la velocidad del sonido es mucho menor que la de la luz, el equipo utilizó los ultrasonidos para alimentar el dispositivo y comunicarse con él de forma inalámbrica. Fabricaron la "antena" para comunicarse y alimentarse con ultrasonidos directamente sobre el chip.

El chip, que es toda la mota implantable/inyectable sin embalaje adicional, se fabricó en la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con modificaciones adicionales del proceso realizadas en la sala blanca de la Columbia Nano Initiative y en la instalación de nanofabricación del Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) de la City University of New York.

Shepard comentó: "Este es un buen ejemplo de tecnología 'más que Moore': hemos introducido nuevos materiales en el semiconductor de óxido metálico complementario estándar para proporcionar una nueva función. En este caso, añadimos materiales piezoeléctricos directamente en el circuito integrado para transducir la energía acústica a energía eléctrica".

Konofagou añadió: "La importancia clínica de los ultrasonidos sigue creciendo a medida que se dispone de nuevas herramientas y técnicas. Este trabajo continúa esta tendencia".

El objetivo del equipo es desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con una aguja hipodérmica y que luego se comuniquen con el exterior mediante ultrasonidos, proporcionando información sobre algo que miden localmente. Los dispositivos actuales miden la temperatura del cuerpo, pero hay muchas más posibilidades en las que el equipo está trabajando.

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Sobre el estudio

El estudio se titula "Aplicación de una mota implantable de menos de 0,1 mm3 para la detección inalámbrica de la temperatura en tiempo real in vivo".

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

1 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Columbia

2Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Columbia

3Departamento de Microelectrónica, Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos

4Departamento de Radiología, Universidad de Columbia

El estudio fue apoyado en parte por una subvención de la Fundación W. M. Keck y por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) bajo el contrato HR0011-15-2-0054 y el Acuerdo de Cooperación D20AC00004.

Chen Shi y Kenneth L. Shepard figuran como inventores en una patente provisional presentada por la Universidad de Columbia (solicitud de patente nº 15/911.973). Los demás autores declaran no tener intereses contrapuestos.

ENLACES:

Papel: https://avances.sciencemag.org/contenido/7/19/eabf6312

DOI: 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.columbia.edu/

http://advances.sciencemag.org/

https://ingeniería.columbia.edu/facultad/ken-shepard

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

http://bme.columbia.edu/

http://cni.columbia.edu/cni


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