Используют ли крошечные, беспроводные, инъекционные чипы ультразвук для мониторинга процессов в организме?


Инженеры Колумбийского университета разрабатывают самую маленькую однокристальную систему, представляющую собой полноценную функционирующую электронную схему; имплантируемые чипы, видимые только в микроскоп, указывают путь к разработке чипов, которые можно будет вводить в организм с помощью подкожной иглы.

Широко используемые для мониторинга и картирования биологических сигналов, поддержки и улучшения физиологических функций, а также для лечения заболеваний, имплантируемые медицинские устройства трансформируют здравоохранение и улучшают качество жизни миллионов людей. Исследователи все больше интересуются разработкой беспроводных, миниатюрных имплантируемых медицинских устройств для физиологического мониторинга in vivo и in situ. Эти устройства могут быть использованы для мониторинга физиологических условий, таких как температура, кровяное давление, глюкоза и дыхание, как для диагностических, так и для терапевтических процедур.

До настоящего времени традиционная имплантируемая электроника была крайне неэффективна по объему - как правило, для нее требовалось несколько микросхем, упаковка, провода и внешние преобразователи, а для хранения энергии часто требовались батареи. Постоянной тенденцией в электронике является более тесная интеграция электронных компонентов, часто перенося все больше функций на саму интегральную схему.

Исследователи из Columbia Engineering сообщают, что они создали, по их словам, самую маленькую в мире однокристальную систему, занимающую общий объем менее 0,1 мм.3. Система имеет размер, равный размеру пылевого клеща, и видна только под микроскопом. Чтобы добиться этого, команда использовала ультразвук для питания и беспроводной связи с устройством. Исследование было опубликовано 7 мая в журнале Science Advances.

"Мы хотели посмотреть, насколько далеко мы сможем продвинуться в пределе возможностей создания небольших функционирующих чипов", - сказал руководитель исследования Кен Шепард, профессор электротехники и биомедицинской инженерии Lau Family. Это новая идея "чип как система" - это чип, который сам по себе, без ничего другого, является полноценной функционирующей электронной системой. Это должно стать революционным для разработки беспроводных, миниатюрных имплантируемых медицинских устройств, которые могут чувствовать различные вещи, использоваться в клинических приложениях и, в конечном итоге, быть одобренными для использования человеком".

В состав команды также вошли Элиза Конофагу, профессор биомедицинской инженерии и профессор радиологии Роберта и Маргарет Харири, а также Стивен А. Ли, аспирант лаборатории Конофагу, который помогал в исследованиях на животных.

Дизайн был разработан докторантом Ченом Ши, который является первым автором исследования. Конструкция Ши уникальна своей объемной эффективностью - количеством функций, которые содержатся в данном объеме. Традиционные радиочастотные каналы связи невозможны для устройства такого маленького размера, потому что длина электромагнитной волны слишком велика по отношению к размеру устройства. Поскольку длина волны ультразвука намного меньше на данной частоте, так как скорость звука намного меньше скорости света, команда использовала ультразвук для питания и беспроводной связи с устройством. Они изготовили "антенну" для связи и питания ультразвуком прямо на чипе.

Чип, который представляет собой весь имплантируемый/инъекционный мот без дополнительной упаковки, был изготовлен на Taiwan Semiconductor Manufacturing Company с дополнительными модификациями процесса, выполненными в чистом помещении Columbia Nano Initiative и в центре нанофабрик City University of New York Advanced Science Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility.

Шепард прокомментировал: "Это хороший пример технологии "больше, чем Мур" - мы добавили новые материалы в стандартный комплементарный металл-оксид-полупроводник, чтобы обеспечить новую функцию. В данном случае мы добавили пьезоэлектрические материалы непосредственно на интегральную схему для преобразования акустической энергии в электрическую".

Конофагу добавил: "Значение ультразвука в клинической практике продолжает расти по мере появления новых инструментов и методик. Данная работа продолжает эту тенденцию".

Цель команды - разработать чипы, которые можно будет вводить в тело с помощью подкожной иглы, а затем передавать обратно из тела с помощью ультразвука, предоставляя информацию о том, что они измеряют на месте. Нынешние устройства измеряют температуру тела, но команда работает над многими другими возможностями.

Об исследовании

Исследование называется "Применение имплантируемого мотылька размером менее 0,1 мм3 для беспроводного измерения температуры в реальном времени in vivo".

Авторы: Чэнь Ши1, Виктория Андино-Павловски1, Стивен А. Ли2, Тиаго Коста1,3, Джеффри Эллоян1, Элиза Э. Конофагу2,4, Кеннет Л. Шепард1,2

1 Факультет электротехники, Колумбийский университет

2Департамент биомедицинской инженерии, Колумбийский университет

3Департамент микроэлектроники, Делфтский технологический университет, Нидерланды

4Департамент радиологии, Колумбийский университет

Исследование было частично поддержано грантом Фонда У. М. Кека и Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) по контракту HR0011-15-2-0054 и кооперативному соглашению D20AC00004.

Чен Ши и Кеннет Л. Шепард указаны в качестве изобретателей в предварительном патенте, поданном Колумбийским университетом (патентная заявка № 15/911,973). Остальные авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

LINKS:

Бумага: https://авансы.sciencemag.орг/содержание/7/19/eabf6312

DOI: 10.1126/sciadv.abf6312

http://engineering.Колумбия.edu/

http://advances.sciencemag.орг/

https://инженерия.Колумбия.edu/факультет/ken-shepard

http://www.ee.Колумбия.edu/

http://bme.Колумбия.edu/

http://cni.Колумбия.edu/cni