Czy maleńkie, bezprzewodowe, wstrzykiwane chipy wykorzystują ultradźwięki do monitorowania procesów zachodzących w organizmie?


Inżynierowie z Kolumbii opracowują najmniejszy układ scalony będący kompletnym funkcjonującym obwodem elektronicznym; wszczepialne układy scalone widoczne tylko pod mikroskopem wskazują drogę do opracowania układów, które można wstrzykiwać do organizmu za pomocą igły podskórnej.

Powszechnie stosowane do monitorowania i mapowania sygnałów biologicznych, do wspomagania i wzmacniania funkcji fizjologicznych oraz do leczenia chorób, wszczepialne urządzenia medyczne przekształcają opiekę zdrowotną i poprawiają jakość życia milionów ludzi. Naukowcy są coraz bardziej zainteresowani projektowaniem bezprzewodowych, zminiaturyzowanych, wszczepialnych urządzeń medycznych do monitorowania fizjologicznego in vivo i in situ. Urządzenia te mogą być wykorzystywane do monitorowania warunków fizjologicznych, takich jak temperatura, ciśnienie krwi, glukoza i oddychanie, zarówno w procedurach diagnostycznych, jak i terapeutycznych.

Do tej pory konwencjonalna elektronika implantowana była wysoce nieefektywna pod względem objętości - zazwyczaj wymagała wielu układów scalonych, opakowań, przewodów i zewnętrznych przetworników, a do magazynowania energii często potrzebne były baterie. Stałym trendem w elektronice jest ściślejsza integracja komponentów elektronicznych, często przenosząca coraz więcej funkcji na sam układ scalony.

Naukowcy z Columbia Engineering donoszą, że zbudowali coś, co według nich jest najmniejszym na świecie systemem jednoukładowym, zużywającym mniej niż 0,1 mm objętości.3. System jest tak mały jak roztocze kurzu i widoczny tylko pod mikroskopem. Aby to osiągnąć, zespół wykorzystał ultradźwięki zarówno do zasilania, jak i bezprzewodowej komunikacji z urządzeniem. Badanie zostało opublikowane online 7 maja w Science Advances.

"Chcieliśmy zobaczyć, jak daleko możemy przesunąć granice tego, jak mały funkcjonujący chip możemy stworzyć," powiedział prowadzący badania Ken Shepard, profesor inżynierii elektrycznej i profesor inżynierii biomedycznej z Lau Family. "Jest to nowa koncepcja 'chipa jako systemu' - jest to chip, który sam, bez niczego innego, jest kompletnym funkcjonującym systemem elektronicznym. To powinno być rewolucyjne dla rozwoju bezprzewodowych, zminiaturyzowanych wszczepialnych urządzeń medycznych, które mogą wyczuwać różne rzeczy, być używane w zastosowaniach klinicznych, a w końcu dopuszczone do użytku przez ludzi."

W skład zespołu weszła również Elisa Konofagou, profesor inżynierii biomedycznej Roberta i Margaret Hariri oraz profesor radiologii, a także Stephen A. Lee, doktorant w laboratorium Konofagou, który pomagał w badaniach na zwierzętach.

Projekt został opracowany przez doktoranta Chen Shi, który jest pierwszym autorem badania. Projekt Shi'ego jest wyjątkowy pod względem wydajności objętościowej, czyli ilości funkcji, która jest zawarta w danej ilości objętości. Tradycyjne łącza komunikacyjne RF nie są możliwe dla tak małego urządzenia, ponieważ długość fali elektromagnetycznej jest zbyt duża w stosunku do wielkości urządzenia. Ponieważ długość fali dla ultradźwięków jest znacznie mniejsza przy danej częstotliwości, ponieważ prędkość dźwięku jest o wiele mniejsza niż prędkość światła, zespół wykorzystał ultradźwięki zarówno do zasilania, jak i bezprzewodowej komunikacji z urządzeniem. Wyprodukowali "antenę" do komunikacji i zasilania za pomocą ultradźwięków bezpośrednio na wierzchu chipu.

Chip, który jest w całości wszczepialną/wstrzykiwalną jednostką bez dodatkowego opakowania, został wyprodukowany w Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, a dodatkowe modyfikacje procesu przeprowadzono w cleanroomie Columbia Nano Initiative i City University of New York Advanced Science Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility.

Shepard skomentował: "Jest to dobry przykład technologii 'więcej niż Moore'a' - wprowadziliśmy nowe materiały do standardowego komplementarnego półprzewodnika metalowo-tlenkowego, aby zapewnić nową funkcję. W tym przypadku, dodaliśmy materiały piezoelektryczne bezpośrednio do układu scalonego, aby przekształcić energię akustyczną w energię elektryczną."

Konofagou dodał: "Ultrasonografia ma coraz większe znaczenie kliniczne, ponieważ nowe narzędzia i techniki stają się dostępne. Ta praca kontynuuje ten trend."

Celem zespołu jest opracowanie chipów, które mogą być wstrzykiwane do ciała za pomocą igły podskórnej, a następnie przekazywane z powrotem z ciała za pomocą ultradźwięków, dostarczając informacji o czymś, co mierzą lokalnie. Obecne urządzenia mierzą temperaturę ciała, ale istnieje wiele innych możliwości, nad którymi pracuje zespół.

###

O badaniu

Badanie zatytułowane jest "Zastosowanie implantowalnego mote'a o rozmiarze poniżej 0.1-mm3 do bezprzewodowego pomiaru temperatury in vivo w czasie rzeczywistym".

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

1 Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Columbia

2Departament Inżynierii Biomedycznej, Uniwersytet Columbia

3Department of Microelectronics, Delft University of Technology, Niderlandy

4Katedra Radiologii, Uniwersytet Columbia

Badania były częściowo wspierane przez grant Fundacji W. M. Kecka oraz przez Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) w ramach kontraktu HR0011-15-2-0054 i Cooperative Agreement D20AC00004.

Chen Shi i Kenneth L. Shepard są wymienieni jako wynalazcy w tymczasowym patencie zgłoszonym przez Uniwersytet Columbia (zgłoszenie patentowe nr 15/911,973). Pozostali autorzy nie zgłaszają konkurencyjnych interesów.

LINKI:

Papier: https://zaliczki.sciencemag.organ/treść/7/19/eabf6312

DOI: 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.Kolumbia.edu/

http://advances.sciencemag.organ/

https://inżynieria.Kolumbia.edu/wydział/ken-shepard

http://www.ee.Kolumbia.edu/

http://bme.Kolumbia.edu/

http://cni.Kolumbia.edu/cni


Jaka jest Twoja reakcja?

confused confused
2
confused
fail fail
1
fail
love love
2
love
lol lol
4
lol
omg omg
2
omg
win win
1
win