Winzige, drahtlose, injizierbare Chips verwenden Ultraschall zur Überwachung von Körperprozessen

Columbia Engineers hat das kleinste Ein-Chip-System entwickelt, das eine vollständig funktionierende elektronische Schaltung darstellt; implantierbare Chips, die nur unter einem Mikroskop sichtbar sind, weisen den Weg zur Entwicklung von Chips, die mit einer subkutanen Nadel in den Körper injiziert werden können, um medizinische Zustände zu überwachen.

Weit verbreitet zur Überwachung und Kartierung biologischer Signale, zur Unterstützung und Verbesserung physiologischer Funktionen und zur Behandlung von Krankheiten verändern implantierbare medizinische Geräte das Gesundheitswesen und verbessern die Lebensqualität von Millionen von Menschen. Forscher sind zunehmend daran interessiert, drahtlose miniaturisierte implantierbare medizinische Geräte für die physiologische In-vivo- und In-situ-Überwachung zu entwickeln. Diese Geräte könnten zur Überwachung physiologischer Zustände wie Temperatur, Blutdruck, Glukose und Atmung sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Verfahren verwendet werden.

Bisher war herkömmliche implantierte Elektronik sehr volumenineffizient – ​​sie erfordert im Allgemeinen mehrere Chips, Verpackungen, Drähte und externe Wandler, und Batterien werden häufig zur Energiespeicherung benötigt. Ein ständiger Trend in der Elektronik war die engere Integration elektronischer Komponenten, wobei oft mehr und mehr Funktionen auf die integrierte Schaltung selbst verlagert wurden.

Forscher von Columbia Engineering berichten, dass sie das ihrer Meinung nach kleinste Ein-Chip-System der Welt gebaut haben, das ein Gesamtvolumen von weniger als 0,1 mm ³ verbraucht . Das System ist so klein wie eine Hausstaubmilbe und nur unter dem Mikroskop sichtbar. Um dies zu erreichen, nutzte das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos mit ihm zu kommunizieren.

„Wir wollten sehen, wie weit wir die Grenzen verschieben können, wie klein ein funktionierender Chip ist, den wir herstellen können“, sagte der Leiter der Studie, Ken Shepard, Professor für Elektrotechnik und Professor für Biomedizintechnik der Familie Lau. „Dies ist eine neue Idee von ‚Chip als System‘ – das ist ein Chip, der allein, mit nichts anderem, ein vollständig funktionierendes elektronisches System darstellt. Dies sollte revolutionär für die Entwicklung drahtloser, miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte sein, die verschiedene Dinge erfassen, in klinischen Anwendungen eingesetzt und schließlich für den menschlichen Gebrauch zugelassen werden können.“

Herkömmliche HF-Kommunikationsverbindungen sind für ein so kleines Gerät nicht möglich, da die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle im Verhältnis zur Größe des Geräts zu groß ist. Da die Wellenlängen für Ultraschall bei einer bestimmten Frequenz viel kleiner sind, weil die Schallgeschwindigkeit so viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, verwendete das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos mit ihm zu kommunizieren. Sie stellten die "Antenne" für die Kommunikation und Stromversorgung mit Ultraschall direkt auf dem Chip her.

Der Chip, bei dem es sich um den gesamten implantierbaren/injizierbaren Partikel ohne zusätzliche Verpackung handelt, wurde bei der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company mit zusätzlichen Prozessmodifikationen hergestellt, die im Reinraum der Columbia Nano Initiative und im Advanced 3+ Research Center (ASRC) der City University of New York durchgeführt wurden. Nanofabrikationseinrichtung.

Shepard kommentierte:„Dies ist ein schönes Beispiel für ‚More than Moore‘-Technologie – wir haben neue Materialien auf einem standardmäßigen komplementären Metalloxid-Halbleiter eingeführt, um neue Funktionen bereitzustellen. In diesem Fall fügten wir piezoelektrische Materialien direkt auf die integrierte Schaltung hinzu, um Schallenergie in elektrische Energie umzuwandeln.“

Das Ziel des Teams ist die Entwicklung von Chips, die mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können und dann per Ultraschall wieder aus dem Körper heraus kommunizieren und Informationen über etwas liefern, das sie lokal messen. Die aktuellen Geräte messen die Körpertemperatur, aber das Team arbeitet an vielen weiteren Möglichkeiten.