Pequeños chips inyectables inalámbricos usan ultrasonido para monitorear procesos corporales

Los ingenieros de Columbia han desarrollado el sistema de un solo chip más pequeño que es un circuito electrónico de funcionamiento completo; Los chips implantables visibles solo en un microscopio señalan el camino para desarrollar chips que se pueden inyectar en el cuerpo con una aguja hipodérmica para monitorear condiciones médicas.

Ampliamente utilizados para monitorear y mapear señales biológicas, para apoyar y mejorar las funciones fisiológicas y para tratar enfermedades, los dispositivos médicos implantables están transformando la atención médica y mejorando la calidad de vida de millones de personas. Los investigadores están cada vez más interesados ​​en diseñar dispositivos médicos implantables miniaturizados inalámbricos para la monitorización fisiológica in vivo e in situ. Estos dispositivos podrían usarse para controlar condiciones fisiológicas, como la temperatura, la presión arterial, la glucosa y la respiración, tanto para procedimientos de diagnóstico como terapéuticos.

Hasta la fecha, los dispositivos electrónicos implantados convencionales han sido altamente ineficientes en términos de volumen:generalmente requieren múltiples chips, empaques, cables y transductores externos, y a menudo se necesitan baterías para el almacenamiento de energía. Una tendencia constante en la electrónica ha sido una mayor integración de los componentes electrónicos, a menudo moviendo más y más funciones al propio circuito integrado.

Investigadores de Columbia Engineering informan que han construido lo que dicen es el sistema de un solo chip más pequeño del mundo, que consume un volumen total de menos de 0,1 mm ³ . El sistema es tan pequeño como un ácaro del polvo y solo es visible bajo un microscopio. Para lograr esto, el equipo usó ultrasonido para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica.

“Queríamos ver hasta dónde podíamos empujar los límites de cuán pequeño podíamos hacer un chip funcional”, dijo el líder del estudio, Ken Shepard, profesor de ingeniería eléctrica y profesor de ingeniería biomédica de Lau Family. “Esta es una nueva idea de 'chip como sistema':este es un chip que por sí solo, sin nada más, es un sistema electrónico de funcionamiento completo. Esto debería ser revolucionario para el desarrollo de dispositivos médicos implantables miniaturizados e inalámbricos que pueden detectar diferentes cosas, usarse en aplicaciones clínicas y finalmente aprobarse para uso humano”.

Los enlaces de comunicaciones de RF tradicionales no son posibles para un dispositivo tan pequeño porque la longitud de onda de la onda electromagnética es demasiado grande en relación con el tamaño del dispositivo. Debido a que las longitudes de onda para el ultrasonido son mucho más pequeñas a una frecuencia dada porque la velocidad del sonido es mucho menor que la velocidad de la luz, el equipo usó ultrasonido para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica. Ellos fabricaron la "antena" para comunicarse y alimentarse con ultrasonido directamente sobre el chip.

El chip, que es todo el mote implantable/inyectable sin embalaje adicional, se fabricó en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con modificaciones de proceso adicionales realizadas en la sala limpia de Columbia Nano Initiative y el Centro de Investigación Avanzada 3+ de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (ASRC) Instalación de nanofabricación.

Shepard comentó:“Este es un buen ejemplo de tecnología 'más que Moore':introdujimos nuevos materiales en un semiconductor de óxido de metal complementario estándar para proporcionar nuevas funciones. En este caso, agregamos materiales piezoeléctricos directamente al circuito integrado para convertir la energía acústica en energía eléctrica”.

El objetivo del equipo es desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con una aguja hipodérmica y luego comunicarse con el exterior del cuerpo mediante ultrasonido, brindando información sobre algo que miden localmente. Los dispositivos actuales miden la temperatura corporal, pero el equipo está trabajando en muchas más posibilidades.