Mali, bežični ubrizgavajući čipovi koriste ultrazvuk za nadgledanje tjelesnih procesa

- Inženjeri Columbie razvijaju najmanji sustav s jednim čipom koji je potpuno funkcionirajući elektronički sklop; čipovi za implantaciju vidljivi samo u mikroskopu usmjeravaju put ka razvoju čipova koji se u tijelo mogu ubrizgati hipodermijskom iglom za praćenje zdravstvenih stanja


Izvor:
https://www.engineering.columbia.edu/press-releases/shepard-injectable-chips-monitor-body-processes

Autor:
Holly Evarts,Fotografija:Chen Shi/Columbia inženjering, 12.svibanj 2021


O STUDIJI

Studija je naslovljena "Primjena implantabilnog mota ispod 0,1 mm3 za in vivo bežično mjerenje temperature u stvarnom vremenu."

Časopis: Science Advances

Autori su: Chen Shi 1, Victoria Andino-Pavlovsky 1, Stephen A. Lee 2, Tiago Costa 1,3, Jeffrey Elloian 1, Elisa E. Konofagou 2,4, Kenneth L. Shepard 1,2
  1. Odjel za elektrotehniku, Sveučilište Columbia
  2. Odjel za biomedicinsko inženjerstvo, Sveučilište Columbia
  3. Odjel za mikroelektroniku, Tehničko sveučilište Delft, Nizozemska
  4. Odjel za radiologiju, Sveučilište Columbia
Studija je djelomično podržana bespovratnim sredstvima Zaklade W. M. Keck i Agencije za napredne istraživačke projekte obrane (DARPA) na temelju ugovora HR0011-15-2-0054 i Ugovora o suradnji D20AC00004.

Chen Shi i Kenneth L. Shepard navedeni su kao izumitelji privremenog patenta koji je podnijelo Sveučilište Columbia (patentna prijava br. 15 / 911,973). Ostali autori izjavljuju da nema konkurentskih interesa.

Shematski prikaz uređaja
Shematski prikaz uređaja

New York, NY - 12. svibnja 2021. - Široko se koristi za praćenje i mapiranje bioloških signala, za podršku i jačanje fizioloških funkcija i za liječenje bolesti, medicinski uređaji koji se ugrađuju transformiraju zdravstvenu zaštitu i poboljšavaju kvalitetu života za milijune ljudi. Istraživači su sve više zainteresirani za dizajniranje bežičnih, minijaturiziranih implantabilnih medicinskih uređaja za in vivo i in situ fiziološko praćenje. Ti se uređaji mogu koristiti za praćenje fizioloških stanja, poput temperature, krvnog tlaka, glukoze i disanja, kako za dijagnostičke tako i za terapijske postupke.

Do danas je konvencionalna ugrađena elektronika bila vrlo neučinkovita - općenito zahtijeva višestruke čipove, pakiranje, žice i vanjske pretvarače, a baterije su često potrebne za pohranu energije. Stalni trend u elektronici bila je čvršća integracija elektroničkih komponenata, često premještajući sve više i više funkcija na sam integrirani krug.

Istraživači iz Columbia Engineeringa izvještavaju da su izgradili, kako kažu, najmanji sustav s jednim čipom na svijetu, a ukupni volumen zauzima manje od 0,1 mm3. Sustav je malen poput grinje i vidljiv je samo pod mikroskopom. Da bi to postigao, tim je ultrazvukom napajao i bežično komunicirao s uređajem. Studija je objavljena na mreži 7. svibnja u časopisu Science Advances.

"Željeli smo vidjeti koliko daleko možemo pomaknuti granice koliko mali funkcionalni čip možemo napraviti", rekao je voditelj studije Ken Shepard, profesor elektrotehnike i profesor biomedicinskog inženjerstva u obitelji Lau. „Ovo je nova ideja o„ čipu kao sustavu “- ovo je čip koji je sam, bez ičega drugoga, potpuno funkcionirajući elektronički sustav. Ovo bi trebalo biti revolucionarno za razvoj bežičnih, minijaturiziranih implantabilnih medicinskih uređaja koji mogu osjetiti različite stvari, koristiti se u kliničkim primjenama i na kraju odobriti za ljudsku upotrebu. "

U timu su bili i Elisa Konofagou, Robert i Margaret Hariri, profesorica biomedicinskog inženjerstva i profesorica radiologije, kao i Stephen A. Lee, student medicine u laboratoriju Konofagou koji je pomagao u istraživanjima na životinjama.

Dizajn je izradio doktorand Chen Shi, koji je prvi autor studije. Shi-ov dizajn jedinstven je po svojoj volumetrijskoj učinkovitosti, količini funkcije koja je sadržana u zadanoj količini volumena. Tradicionalne RF komunikacijske veze nisu moguće za ovako mali uređaj jer je valna duljina elektromagnetskog vala prevelika u odnosu na veličinu uređaja. Budući da su valne duljine ultrazvuka puno manje na određenoj frekvenciji, jer je brzina zvuka toliko manja od brzine svjetlosti, tim je ultrazvukom napajao i bežično komunicirao s uređajem. Izradili su "antenu" za komunikaciju i napajanje ultrazvukom izravno na vrhu čipa.

Čip, koji je cjelokupna implantabilna / injekcijska čestica bez dodatnog pakiranja, proizveden je u Taiwan Semiconductor Manufacturing Company s dodatnim modifikacijama procesa izvedenim u čistom prostoru Columbia Nano Initiative i Nanofabrication of Advanced Science Research Center (ASRC) Sveučilišta u New Yorku.

Shepard je komentirao: "Ovo je lijep primjer tehnologije" više od Moorea tehnologije "- uveli smo nove materijale u standardni komplementarni metal-oxi poluvodiča za pružanje nove funkcije. U ovom smo slučaju dodali piezoelektrične materijale izravno u integrirani krug kako bismo pretvorili akustičnu energiju u električnu. "

Konofagou je dodao: „Ultrazvuk nastavlja rasti u kliničkoj važnosti kako novi alati i tehnike postaju dostupni. Ovaj rad nastavlja ovaj trend. " Cilj tima je razviti čipove koji se mogu ubrizgati u tijelo hipodermijskom iglom, a zatim ultrazvukom komunicirati njime iz tijela, dobivajući informacije o nečemu što mjere lokalno. Trenutni uređaji mjere tjelesnu temperaturu, ali postoji mnogo više mogućnosti na kojima tim radi.


KONTAKT SA MEDIJIMA: Holly Evarts, direktorica strateških komunikacija i odnosa s medijima 212-854-3206 (o), 347-453-7408 (c),

holly.evarts@columbia.edu