Chip Sem Fio Miniatura Usa Ultrasom para Monitorar Processos Corporais

Engenheiros da Columbia desenvolveram o menor sistema de chip único que é um circuito eletrônico completo e funcional; chips implantáveis visíveis apenas em microscópio apontam o caminho para desenvolver chips que podem ser injetados no corpo com agulha hipodérmica para monitorar condições médicas.

Amplamente usados para monitorar e mapear sinais biológicos, suportar e melhorar funções fisiológicas, e tratar doenças, dispositivos médicos implantáveis estão transformando a saúde e melhorando a qualidade de vida de milhões de pessoas. Pesquisadores estão cada vez mais interessados em projetar dispositivos médicos implantáveis miniaturizados sem fio para monitoramento fisiológico in vivo e in situ. Estes dispositivos poderiam ser usados para monitorar condições fisiológicas, como temperatura, pressão arterial, glicose e respiração para procedimentos tanto diagnósticos quanto terapêuticos.

Até hoje, eletrônicos implantáveis convencionais têm sido altamente ineficientes em volume — eles geralmente requerem múltiplos chips, embalagem, fios, e transdutores externos, e baterias são frequentemente necessárias para armazenamento de energia. Uma tendência constante em eletrônica tem sido integração mais apertada de componentes eletrônicos, frequentemente movendo mais e mais funções para o circuito integrado em si.

Pesquisadores da Columbia Engineering reportam que construíram o que dizem ser o menor sistema de chip único do mundo, consumindo volume total de menos de 0,1 mm³. O sistema é tão pequeno quanto um ácaro de poeira e visível apenas sob microscópio. Para alcançar isso, a equipe usou ultrassom para tanto alimentar quanto comunicar com o dispositivo sem fio.

"Queríamos ver o quão longe poderíamos empurrar os limites de quão pequeno um chip funcional poderíamos fazer", disse o líder do estudo Ken Shepard, professor da família Lau de engenharia elétrica e professor de engenharia biomédica. "Esta é uma nova ideia de 'chip como sistema' — este é um chip que sozinho, sem nada mais, é um sistema eletrônico funcional completo. Isso deve ser revolucionário para desenvolver dispositivos médicos implantáveis miniaturizados sem fio que podem sensoriar coisas diferentes, ser usados em aplicações clínicas, e eventualmente aprovados para uso humano."

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

O chip, que é o mote implantável/injetável inteiro sem embalagem adicional, foi fabricado na Taiwan Semiconductor Manufacturing Company com modificações de processo adicionais realizadas na cleanroom Columbia Nano Initiative e no City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Nanofabrication Facility.

Shepard comentou, "Este é um belo exemplo de tecnologia 'mais que Moore' — introduzimos novos materiais em um semicondutor complementar de óxido metálico padrão para fornecer novas funções. Neste caso, adicionamos materiais piezoelétricos diretamente no circuito integrado para transduzir energia acústica em energia elétrica."

O objetivo da equipe é desenvolver chips que podem ser injetados no corpo com agulha hipodérmica e então comunicar de volta para fora do corpo usando ultrassom, fornecendo informação sobre algo que medem localmente. Os dispositivos atuais medem temperatura corporal, mas há muitas mais possibilidades em que a equipe está trabalhando.