Chip inalámbrico miniatura usa ultrasonido para monitorear procesos corporales

Ingenieros de Columbia han desarrollado el sistema de chip único más pequeño que es un circuito electrónico completo funcional; chips implantables visibles solo en microscopio apuntan el camino para desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con aguja hipodérmica para monitorear condiciones médicas.

Ampliamente usados para monitorear y mapear señales biológicas, apoyar y mejorar funciones fisiológicas y 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 inalámbricos miniaturizados para monitoreo fisiológico in vivo e in situ. Estos dispositivos podrían usarse para monitorear condiciones fisiológicas como temperatura, presión arterial, glucosa y respiración para procedimientos tanto diagnósticos como terapéuticos.

Hasta la fecha, la electrónica implantable convencional ha sido altamente ineficiente en volumen —generalmente requieren múltiples chips, empaquetado, cables y transductores externos, y a menudo se necesitan baterías para almacenamiento de energía. Una tendencia constante en electrónica ha sido una integración más estrecha de componentes electrónicos, moviendo a menudo más y más funciones al circuito integrado mismo.

Investigadores de Columbia Engineering reportan que han construido lo que dicen es el sistema de chip único más pequeño del mundo, consumiendo un volumen total de menos de 0.1 mm³. El sistema es tan pequeño como un ácaro del polvo y visible solo bajo microscopio. Para lograr esto, el equipo usó ultrasonido para tanto alimentar como comunicarse con el dispositivo inalámbricamente.

"Queríamos ver qué tan lejos podíamos empujar los límites en qué tan pequeño un chip funcional podíamos hacer", dijo el líder del estudio Ken Shepard, profesor de ingeniería eléctrica de la familia Lau y profesor de ingeniería biomédica. "Esta es una nueva idea de 'chip como sistema' —este es un chip que solo, sin nada más, es un sistema electrónico funcional completo. Esto debería ser revolucionario para desarrollar dispositivos médicos implantables inalámbricos miniaturizados que puedan detectar diferentes cosas, usarse en aplicaciones clínicas y eventualmente aprobarse para uso humano."

Los enlaces de comunicaciones RF tradicionales no son posibles para un dispositivo tan pequeño porque la longitud de onda de la onda electromagnética es demasiado grande relativa al tamaño del dispositivo. Como las longitudes de onda para 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 tanto alimentar como comunicarse con el dispositivo inalámbricamente. Fabricaron la "antena" para comunicar y alimentar con ultrasonido directamente encima del chip.

El chip, que es el mote implantable/inyectable completo sin empaquetado adicional, fue fabricado en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con modificaciones de proceso adicionales realizadas en la sala limpia Columbia Nano Initiative y el Centro de Nanofabricación de Investigación Avanzada 3+ de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (ASRC).

Shepard comentó, "Este es un buen ejemplo de tecnología 'más que Moore' —introdujimos nuevos materiales sobre un semiconductor complementario de óxido metálico estándar para proporcionar nuevas funciones. En este caso, agregamos materiales piezoeléctricos directamente sobre el circuito integrado para transducir energía acústica a energía eléctrica."

El objetivo del equipo es desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con aguja hipodérmica y luego comunicar de vuelta fuera del cuerpo usando ultrasonido, proporcionando información sobre algo que miden localmente. Los dispositivos actuales miden temperatura corporal, pero hay muchas más posibilidades en las que el equipo está trabajando.