De minuscules puces injectables sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels

De minuscules puces injectables sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels

Puces montrées dans la pointe d’une aiguille hypodermique. Les ingénieurs de Columbia développent le plus petit système monopuce qui est un circuit électronique fonctionnel complet; les puces implantables visibles uniquement au microscope indiquent la voie vers le développement de puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique pour surveiller les conditions médicales. Crédit: Chen Shi / Columbia Engineering

Largement utilisés pour surveiller et cartographier les signaux biologiques, pour soutenir et améliorer les fonctions physiologiques et pour traiter les maladies, les dispositifs médicaux implantables transforment les soins de santé et améliorent la qualité de vie de millions de personnes. Les chercheurs s’intéressent de plus en plus à la conception de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil pour la surveillance physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller les conditions physiologiques, telles que la température, la pression artérielle, le glucose et la respiration pour les procédures diagnostiques et thérapeutiques.

À ce jour, l’électronique implantée conventionnelle a été très peu efficace en termes de volume – elle nécessite généralement plusieurs puces, emballages, câbles et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage d’énergie. Une tendance constante en électronique a été une intégration plus étroite des composants électroniques, déplaçant souvent de plus en plus de fonctions sur le circuit intégré lui-même.

Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu’ils ont construit ce qu’ils disent être le plus petit système monopuce au monde, consommant un volume total de moins de 0,1 mm3. Le système est aussi petit qu’un acarien et visible uniquement au microscope. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter et communiquer avec l’appareil sans fil. L’étude a été publiée en ligne le 7 mai dans Progrès scientifiques.

« Nous voulions voir jusqu’où nous pouvions repousser les limites de la petite taille d’une puce fonctionnelle que nous pourrions fabriquer », a déclaré le chef de l’étude Ken Shepard, professeur de génie électrique à Lau Family et professeur de génie biomédical. «C’est une nouvelle idée de« puce en tant que système »- c’est une puce qui seule, avec rien d’autre, est un système électronique entièrement fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour développer des dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés qui peuvent détecter différentes choses, être utilisé dans des applications cliniques, et finalement approuvé pour un usage humain. « 

L’équipe comprenait également Elisa Konofagou, professeur Robert et Margaret Hariri en génie biomédical et professeur de radiologie, ainsi que Stephen A. Lee, Ph.D. étudiant au laboratoire de Konofagou qui a participé aux études animales.

La conception a été réalisée par l’étudiant au doctorat Chen Shi, qui est le premier auteur de l’étude. La conception de Shi est unique par son efficacité volumétrique, la quantité de fonction contenue dans une quantité donnée de volume. Les liaisons de communication RF traditionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit car la longueur d’onde de l’onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille de l’appareil. Étant donné que les longueurs d’onde des ultrasons sont beaucoup plus petites à une fréquence donnée, car la vitesse du son est bien inférieure à la vitesse de la lumière, l’équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter et communiquer avec l’appareil sans fil. Ils ont fabriqué l ‘«antenne» pour communiquer et alimenter avec des ultrasons directement sur le dessus de la puce.

La puce, qui est l’ensemble implantable / injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée par la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company avec des modifications de processus supplémentaires effectuées dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et la nanofabrication du City University of New York Advanced Science Research Center (ASRC) Établissement.

Shepard a commenté: « Il s’agit d’un bel exemple de technologie » plus que Moore « – nous avons introduit de nouveaux matériaux sur le semi-conducteur oxyde-métal complémentaire standard pour fournir une nouvelle fonction. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transducteur acoustique énergie en énergie électrique. « 

Konofagou a ajouté: « L’échographie continue de gagner en importance clinique à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail poursuit cette tendance. »

L’objectif de l’équipe est de développer des puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique et ensuite communiquer hors du corps à l’aide d’ultrasons, fournissant des informations sur quelque chose qu’elles mesurent localement. Les appareils actuels mesurent la température corporelle, mais l’équipe travaille sur de nombreuses autres possibilités.


L’émetteur implantable offre une option sans fil pour les dispositifs biomédicaux


Plus d’information:
Chen Shi et al, Application d’un motif implantable inférieur à 0,1 mm3 pour la détection de température sans fil en temps réel in vivo, Progrès scientifiques (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abf6312

Fourni par l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Columbia

Citation: De minuscules puces injectables sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels (11 mai 2021) récupéré le 11 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-tiny-wireless-chips-ultrasound-body.html

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