Des puces minuscules, sans fil et injectables utilisent-elles les ultrasons pour surveiller les processus corporels ?


Les ingénieurs de Columbia mettent au point le plus petit système à puce unique constituant un circuit électronique complet et fonctionnel ; les puces implantables, visibles uniquement au microscope, ouvrent la voie au développement de puces pouvant être injectées dans le corps à l'aide d'une aiguille hypodermique.

Largement utilisés pour surveiller et cartographier les signaux biologiques, pour soutenir et améliorer les fonctions physiologiques et pour traiter les maladies, les dispositifs médicaux implantables transforment les soins de santé et améliorent la qualité de vie de millions de personnes. Les chercheurs s'intéressent de plus en plus à la conception de dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés pour la surveillance physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller les conditions physiologiques, telles que la température, la pression sanguine, le glucose et la respiration, dans le cadre de procédures diagnostiques et thérapeutiques.

À ce jour, l'électronique implantée conventionnelle est très peu volumineuse : elle nécessite généralement plusieurs puces, un emballage, des fils et des transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage de l'énergie. Une tendance constante dans l'électronique a été l'intégration plus étroite des composants électroniques, déplaçant souvent de plus en plus de fonctions sur le circuit intégré lui-même.

Des chercheurs de Columbia Engineering annoncent qu'ils ont construit ce qu'ils disent être le plus petit système monopuce du monde, avec un volume total inférieur à 0,1 mm.3. Le système est aussi petit qu'un acarien et n'est visible qu'au microscope. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. L'étude a été publiée en ligne le 7 mai dans Science Advances.

"Nous voulions voir jusqu'où nous pouvions repousser les limites de la taille d'une puce fonctionnelle que nous pouvions fabriquer", a déclaré le responsable de l'étude, Ken Shepard, professeur d'ingénierie électrique et professeur d'ingénierie biomédicale de la famille Lau. Il s'agit d'une nouvelle idée de "puce en tant que système" : une puce qui, à elle seule, sans rien d'autre, constitue un système électronique complet et fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil qui peuvent détecter différentes choses, être utilisés dans des applications cliniques et finalement approuvés pour un usage humain."

L'équipe comprenait également Elisa Konofagou, titulaire de la chaire Robert et Margaret Hariri d'ingénierie biomédicale et professeur de radiologie, ainsi que Stephen A. Lee, doctorant dans le laboratoire de Konofagou, qui a participé aux études sur les animaux.

La conception a été réalisée par le doctorant Chen Shi, qui est le premier auteur de l'étude. La conception de Chen Shi est unique par son efficacité volumétrique, c'est-à-dire la quantité de fonctions contenues dans un volume donné. Les liaisons de communication RF traditionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit, car la longueur d'onde de l'onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille de l'appareil. Les longueurs d'onde des ultrasons étant beaucoup plus petites à une fréquence donnée parce que la vitesse du son est bien inférieure à celle de la lumière, l'équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. Ils ont fabriqué l'"antenne" permettant de communiquer et de s'alimenter en ultrasons directement sur le dessus de la puce.

La puce, qui constitue l'intégralité de la mote implantable/injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée par la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, des modifications supplémentaires ayant été apportées au processus dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et dans l'installation de nanofabrication de l'Advanced Science Research Center (ASRC) de la City University of New York.

M. Shepard a déclaré : "Il s'agit d'un bel exemple de technologie "plus que Moore" : nous avons introduit de nouveaux matériaux dans un métal-oxyde-semiconducteur complémentaire standard pour obtenir une nouvelle fonction. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transposer l'énergie acoustique en énergie électrique."

M. Konofagou a ajouté : "L'importance clinique des ultrasons ne cesse de croître à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail s'inscrit dans cette tendance."

L'objectif de l'équipe est de mettre au point des puces qui peuvent être injectées dans le corps à l'aide d'une aiguille hypodermique et qui communiquent ensuite avec le corps à l'aide d'ultrasons, fournissant ainsi des informations sur ce qu'elles mesurent localement. Les dispositifs actuels mesurent la température du corps, mais l'équipe travaille sur de nombreuses autres possibilités.

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À propos de l'étude

L'étude est intitulée "Application of a sub-0.1-mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing".

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

1 Département d'ingénierie électrique, Université de Columbia

2Département d'ingénierie biomédicale, Université de Columbia

3Département de microélectronique, Université de technologie de Delft, Pays-Bas

4Département de radiologie, Université de Columbia

Cette étude a été soutenue en partie par une subvention de la Fondation W. M. Keck et par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dans le cadre du contrat HR0011-15-2-0054 et de l'accord de coopération D20AC00004.

Chen Shi et Kenneth L. Shepard figurent en tant qu'inventeurs sur un brevet provisoire déposé par l'université Columbia (demande de brevet n° 15/911,973). Les autres auteurs ne déclarent pas d'intérêts concurrents.

LIENS :

Papier : https://avances.sciencemag.org/contenu/7/19/eabf6312

DOI : 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.columbia.edu/

http://advances.sciencemag.org/

https://l'ingénierie.columbia.edu/faculté/ken-shepard

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

http://bme.columbia.edu/

http://cni.columbia.edu/cni


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