Chips minúsculos, sem fio e injetáveis ​​usam ultrassom para monitorar processos corporais

A Columbia Engineers desenvolveu o menor sistema de chip único que é um circuito eletrônico funcional completo; chips implantáveis ​​visíveis apenas em um microscópio apontam o caminho para o desenvolvimento de chips que podem ser injetados no corpo com uma agulha hipodérmica para monitorar condições médicas.

Amplamente usados ​​para monitorar e mapear sinais biológicos, apoiar e aprimorar funções fisiológicas e tratar doenças, os dispositivos médicos implantáveis ​​estão transformando a saúde e melhorando a qualidade de vida de milhões de pessoas. Os pesquisadores estão cada vez mais interessados ​​em projetar dispositivos médicos implantáveis ​​miniaturizados sem fio para monitoramento fisiológico in vivo e in situ. Esses dispositivos podem ser usados ​​para monitorar condições fisiológicas, como temperatura, pressão arterial, glicose e respiração para procedimentos diagnósticos e terapêuticos.

Até o momento, a eletrônica implantada convencional tem sido altamente ineficiente em termos de volume - eles geralmente exigem vários chips, embalagens, fios e transdutores externos, e as baterias são frequentemente necessárias para armazenamento de energia. Uma tendência constante na eletrônica tem sido a integração mais estreita de componentes eletrônicos, muitas vezes movendo mais e mais funções para o próprio circuito integrado.

Pesquisadores da Columbia Engineering relatam que construíram o que dizem ser o menor sistema de chip único do mundo, consumindo um volume total de menos de 0,1 mm ³ . O sistema é tão pequeno quanto um ácaro e visível apenas sob um microscópio. Para conseguir isso, a equipe usou ultrassom para alimentar e se comunicar com o dispositivo sem fio.

“Queríamos ver até onde poderíamos empurrar os limites de quão pequeno um chip funcional poderíamos fazer”, disse o líder do estudo Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da família Lau e professor de engenharia biomédica. “Esta é uma nova ideia de ‘chip como sistema’ – este é um chip que sozinho, com nada mais, é um sistema eletrônico completo e funcional. Isso deve ser revolucionário para o desenvolvimento de dispositivos médicos implantáveis ​​miniaturizados e sem fio que podem detectar coisas diferentes, serem usados ​​em aplicações clínicas e, eventualmente, aprovados para uso humano”.

Os links de comunicação de RF tradicionais não são possíveis para um dispositivo tão pequeno porque o comprimento de onda da onda eletromagnética é muito grande em relação ao tamanho do dispositivo. Como os comprimentos de onda do ultrassom são muito menores em uma determinada frequência, porque a velocidade do som é muito menor que a velocidade da luz, a equipe usou o ultrassom para alimentar e se comunicar com o dispositivo sem fio. Eles fabricaram a "antena" para comunicação e alimentação com ultrassom diretamente em cima do chip.

O chip, que é todo o mote implantável/injetável sem embalagem adicional, foi fabricado na Taiwan Semiconductor Manufacturing Company com modificações de processo adicionais realizadas na sala limpa da Columbia Nano Initiative e no Centro de Pesquisa Avançado 3+ da Universidade da Cidade de Nova York (ASRC) Instalação de Nanofabricação.

Shepard comentou:“Este é um bom exemplo de tecnologia ‘mais do que Moore’ – introduzimos novos materiais em um semicondutor de óxido metálico complementar padrão para fornecer novas funções. Neste caso, adicionamos materiais piezoelétricos diretamente no circuito integrado para transformar energia acústica em energia elétrica.”

O objetivo da equipe é desenvolver chips que possam ser injetados no corpo com uma agulha hipodérmica e depois se comunicarem de volta para fora do corpo usando ultrassom, fornecendo informações sobre algo que eles medem localmente. Os dispositivos atuais medem a temperatura corporal, mas há muitas outras possibilidades nas quais a equipe está trabalhando.