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Chip minuscoli, wireless e iniettabili utilizzano gli ultrasuoni per monitorare i processi corporei

Il più piccolo sistema a chip singolo che è un circuito elettronico completamente funzionante. Chip mostrati sulla punta di un ago ipodermico. Columbia Engineers sviluppa il più piccolo sistema a chip singolo che è un circuito elettronico completamente funzionante; I chip impiantabili visibili solo al microscopio indicano la strada per lo sviluppo di chip che possono essere iniettati nel corpo con un ago ipodermico per monitorare le condizioni mediche.
CREDITO: Chen Shi / Columbia Engineering

Columbia Engineers sviluppa il più piccolo sistema a chip singolo che è un circuito elettronico completamente funzionante; chip impiantabili visibili solo al microscopio indicano la strada per lo sviluppo di chip che possono essere iniettati nel corpo con un ago ipodermico

New York, NY – 11 maggio 2021 – Ampiamente utilizzati per monitorare e mappare i segnali biologici, per supportare e migliorare le funzioni fisiologiche e per curare le malattie, i dispositivi medici impiantabili stanno trasformando l’assistenza sanitaria e migliorando la qualità della vita di milioni di persone. I ricercatori sono sempre più interessati alla progettazione di dispositivi medici impiantabili miniaturizzati wireless per il monitoraggio fisiologico in vivo e in situ. Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per monitorare condizioni fisiologiche, come temperatura, pressione sanguigna, glucosio e respirazione sia per procedure diagnostiche che terapeutiche.

Pubblicità e progresso

Ad oggi, l’elettronica impiantata convenzionale è risultata altamente inefficiente in termini di volume: generalmente richiedono più chip, imballaggi, cavi e trasduttori esterni e spesso sono necessarie batterie per l’immagazzinamento dell’energia. Una tendenza costante nell’elettronica è stata l’integrazione più stretta dei componenti elettronici, spesso spostando sempre più funzioni sul circuito integrato stesso.

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver costruito quello che dicono sia il sistema a chip singolo più piccolo al mondo, con un volume totale inferiore a 0,1 mm3. Il sistema è piccolo come un acaro della polvere e visibile solo al microscopio. Per ottenere ciò, il team ha utilizzato gli ultrasuoni sia per alimentare che per comunicare con il dispositivo in modalità wireless. Lo studio è stato pubblicato online il 7 maggio su Science Advances .

“Volevamo vedere fino a che punto potevamo spingere i limiti su quanto piccolo potevamo realizzare un chip funzionante”, ha detto il leader dello studio Ken Shepard, professore di ingegneria elettrica della famiglia Lau e professore di ingegneria biomedica. “Questa è una nuova idea di” chip come sistema “: questo è un chip che da solo, con nient’altro, è un sistema elettronico completamente funzionante. Questo dovrebbe essere rivoluzionario per lo sviluppo di dispositivi medici impiantabili miniaturizzati wireless in grado di rilevare cose diverse, essere utilizzato in applicazioni cliniche ed eventualmente approvato per uso umano. “

Il team comprendeva anche Elisa Konofagou, Robert e Margaret Hariri, professore di ingegneria biomedica e professore di radiologia, nonché Stephen A. Lee, studente di dottorato nel laboratorio Konofagou che ha assistito negli studi sugli animali.

Il progetto è stato realizzato dallo studente di dottorato Chen Shi, che è il primo autore dello studio. Il design di Shi è unico nella sua efficienza volumetrica, la quantità di funzione contenuta in una data quantità di volume. I collegamenti di comunicazione RF tradizionali non sono possibili per un dispositivo così piccolo perché la lunghezza d’onda dell’onda elettromagnetica è troppo grande rispetto alle dimensioni del dispositivo. Poiché le lunghezze d’onda degli ultrasuoni sono molto più piccole a una determinata frequenza perché la velocità del suono è molto inferiore alla velocità della luce, il team ha utilizzato gli ultrasuoni sia per alimentare che per comunicare con il dispositivo in modalità wireless. Hanno fabbricato l ‘”antenna” per la comunicazione e l’alimentazione con gli ultrasuoni direttamente sulla parte superiore del chip.

Il chip, che è l’intero mote impiantabile / iniettabile senza imballaggi aggiuntivi, è stato fabbricato presso la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con ulteriori modifiche di processo eseguite nella camera bianca della Columbia Nano Initiative e nella nanofabbricazione dell’Advanced Science Research Center (ASRC) della City University di New York Servizio, struttura.

Shepard ha commentato: “Questo è un bell’esempio di tecnologia ‘più che Moore’ – abbiamo introdotto nuovi materiali su semiconduttori di ossido di metallo complementari standard per fornire nuove funzioni. In questo caso, abbiamo aggiunto materiali piezoelettrici direttamente sul circuito integrato al trasduttore energia acustica all’energia elettrica. “

Konofagou ha aggiunto: “Gli ultrasuoni continuano a crescere in importanza clinica man mano che nuovi strumenti e tecniche diventano disponibili. Questo lavoro continua questa tendenza”.

L’obiettivo del team è sviluppare chip che possono essere iniettati nel corpo con un ago ipodermico e quindi comunicare di nuovo fuori dal corpo utilizzando gli ultrasuoni, fornendo informazioni su qualcosa che misurano localmente. Gli attuali dispositivi misurano la temperatura corporea, ma ci sono molte altre possibilità su cui il team sta lavorando.

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Informazioni sullo studio

Lo studio è intitolato “Applicazione di un mote impiantabile inferiore a 0,1 mm3 per il rilevamento della temperatura wireless in tempo reale in vivo”.

Gli autori sono: Chen Shi1, Victoria Andino-Pavlovsky1, Stephen A. Lee2, Tiago Costa1,3, Jeffrey Elloian1, Elisa E. Konofagou2,4, Kenneth L. Shepard1,2

1 Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Columbia University

2Dipartimento di ingegneria biomedica, Columbia University

3Department of Microelectronics, Delft University of Technology, Paesi Bassi

4 Dipartimento di Radiologia, Columbia University

Lo studio è stato supportato in parte da una sovvenzione della WM Keck Foundation e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ai sensi del contratto HR0011-15-2-0054 e dell’accordo di cooperazione D20AC00004.

Chen Shi e Kenneth L. Shepard sono elencati come inventori di un brevetto provvisorio depositato dalla Columbia University (domanda di brevetto n. 15 / 911,973). Gli altri autori non dichiarano interessi in competizione.

LINK:

Documento: https: / advances. sciencemag. org / content / 7/ 19 / eabf6312

DOI: 10.1126 / sciadv.abf6312

http: // ingegneria. columbia. edu /

http: // avanza. sciencemag. org /

https: / engineering. columbia. edu / facoltà / ken-shepard

http: // www. ee. columbia. edu /

http: // bme. columbia. edu /

http: // cni. columbia. edu / cni

Columbia Engineering

Columbia Engineering, con sede a New York City, è una delle migliori scuole di ingegneria negli Stati Uniti e una delle più antiche della nazione. Conosciuta anche come The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, la scuola espande la conoscenza e fa avanzare la tecnologia attraverso la ricerca pionieristica dei suoi oltre 220 docenti, mentre educa studenti universitari e laureati in un ambiente collaborativo per diventare leader ingegneria. I docenti della Scuola sono al centro della ricerca interdisciplinare dell’Università, contribuendo al Data Science Institute, all’Earth Institute, allo Zuckerman Mind Brain Behaviour Institute, alla Precision Medicine Initiative e alla Columbia Nano Initiative. Guidato dalla sua visione strategica, “Columbia Engineering for Humanity”,

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