Miniaturer drahtloser Chip nutzt Ultraschall zur Körperprozess-Überwachung

Columbia Engineers haben das kleinste Einzelchip-System entwickelt, das eine vollständige funktionsfähige elektronische Schaltung ist; implantierbare Chips, die nur unter einem Mikroskop sichtbar sind, weisen den Weg zur Entwicklung von Chips, die mit einer Hypodermiknadel 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, transformieren implantierbare medizinische Geräte das Gesundheitswesen und verbessern die Lebensqualität von Millionen von Menschen. Forscher interessieren sich zunehmend für das Design drahtloser miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte für in-vivo und in-situ physiologisches Monitoring. Diese Geräte könnten verwendet werden, um physiologische Zustände wie Temperatur, Blutdruck, Glukose und Atmung für sowohl diagnostische als auch therapeutische Verfahren zu überwachen.

Bisher waren konventionelle implantierte Elektronik hoch volumen-ineffizient – sie erfordern im Allgemeinen mehrere Chips, Verpackung, Drähte und externe Wandler, und Batterien werden oft für Energiespeicherung benötigt. Ein konstanter Trend in der Elektronik war die engere Integration elektronischer Komponenten, wobei immer mehr Funktionen auf den integrierten Schaltkreis selbst verlagert werden.

Forscher von Columbia Engineering berichten, dass sie das gebaut haben, was sie als das weltweit kleinste Einzelchip-System bezeichnen, das ein Gesamtvolumen von weniger als 0,1 mm³ verbraucht. Das System ist so klein wie eine Staubmilbe und nur unter einem Mikroskop sichtbar. Um dies zu erreichen, nutzte das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos zu kommunizieren.

„Wir wollten sehen, wie weit wir die Grenzen verschieben können, wie klein ein funktionsfähiger Chip gemacht werden kann“, sagte Studienleiter Ken Shepard, Lau Family Professor für Elektrotechnik und Professor für Biomedizinische Technik. „Dies ist eine neue Idee von ‚Chip als System‘ – dies ist ein Chip, der allein, ohne alles andere, ein vollständiges funktionsfähiges elektronisches System ist. Dies sollte revolutionär sein für die Entwicklung drahtloser, miniaturisierter implantierbarer medizinischer Geräte, die verschiedene Dinge erfassen können, in klinischen Anwendungen eingesetzt werden und schließlich für den menschlichen Gebrauch zugelassen werden.“

Traditionelle RF-Kommunikationsverbindungen sind für ein Gerät dieser Größe nicht möglich, weil die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle zu groß im Verhältnis zur Gerätegröße ist. Da die Wellenlängen für Ultraschall bei einer gegebenen Frequenz viel kleiner sind, weil die Schallgeschwindigkeit so viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, nutzte das Team Ultraschall, um das Gerät sowohl mit Strom zu versorgen als auch drahtlos zu kommunizieren. Sie fertigten die „Antenne“ für Kommunikation und Stromversorgung mit Ultraschall direkt auf dem Chip an.

Der Chip, der das gesamte implantierbare/injizierbare Mote ohne zusätzliche Verpackung ist, wurde bei der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company gefertigt, mit zusätzlichen Prozessmodifikationen, die im Columbia Nano Initiative Cleanroom und im City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility durchgeführt wurden.

Shepard kommentierte: „Dies ist ein schönes Beispiel für ‚More than Moore‘ Technologie – wir führten neue Materialien auf ein Standard-Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor ein, um neue Funktionen bereitzustellen. In diesem Fall fügten wir piezoelektrische Materialien direkt auf den integrierten Schaltkreis hinzu, um akustische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.“

Das Ziel des Teams ist es, Chips zu entwickeln, die mit einer Hypodermiknadel in den Körper injiziert werden können und dann mittels Ultraschall aus dem Körper kommunizieren, um Informationen über etwas zu liefern, das sie lokal messen. Die aktuellen Geräte messen Körpertemperatur, aber es gibt viele weitere Möglichkeiten, an denen das Team arbeitet.