viernes , 24 septiembre 2021

Chips inalámbricos inyectables utilizan ultrasonido para monitorear los procesos corporales

Los ingenieros de Columbia desarrollan el sistema de chip único más pequeño que es un circuito electrónico de funcionamiento completo; 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 y a las personas.

MAYO DE 2021 CHEN SHI / COLUMBIA ENGINEERING

El estudio se titula “Aplicación de una partícula implantable de menos de 0,1 mm3 para la detección de temperatura inalámbrica en tiempo real in vivo”.

Revista: Science Advances

Los autores son: 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. Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Columbia
  2. Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Columbia
  3. Departamento de Microelectrónica, Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos
  4. Departamento de Radiología, Universidad de Columbia

El estudio fue apoyado en parte por una subvención de la Fundación WM Keck y por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) bajo el Contrato HR0011-15-2-0054 y el Acuerdo de Cooperación D20AC00004.

Chen Shi y Kenneth L. Shepard figuran como inventores en una patente provisional presentada por la Universidad de Columbia (solicitud de patente nº 15 / 911.973). Los otros autores declaran no tener intereses en competencia.

Representación esquemática del dispositivo.

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

Los investigadores de Columbia Engineering informan que han construido lo que dicen que 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 utilizó ultrasonidos para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica. El estudio aparece en la edición en línea del 7 de mayo de Science Advances .

“Queríamos ver hasta dónde podíamos empujar los límites de lo pequeño que podíamos hacer un chip funcional”, 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, 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 “.

El equipo también incluyó a Elisa Konofagou , Robert y Margaret Hariri, profesor de ingeniería biomédica y profesor de radiología, así como Stephen A. Lee, estudiante de doctorado en el laboratorio de Konofagou que ayudó en los estudios con animales.

El diseño fue realizado por el estudiante de doctorado Chen Shi, quien es el primer autor del estudio. El diseño de Shi es único en su eficiencia volumétrica, la cantidad de función contenida en una determinada cantidad de volumen. 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 de los ultrasonidos son mucho más pequeñas a una frecuencia dada debido a que la velocidad del sonido es mucho menor que la velocidad de la luz, el equipo usó ultrasonidos para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica. Fabricaron la “antena” para comunicarse y alimentarse con ultrasonido directamente en la parte superior del chip.

El chip, que es todo la partícula implantable / inyectable sin embalaje adicional, fue fabricado en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con modificaciones de proceso adicionales realizadas en la sala limpia de la Iniciativa Columbia Nano y el Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) de la Universidad de la Ciudad de Nueva York. Instalaciones.

Shepard comentó: “Este es un buen ejemplo de tecnología ‘más que Moore’: introdujimos nuevos materiales en semiconductores de óxido de metal complementarios estándar para proporcionar una nueva función. En este caso, agregamos materiales piezoeléctricos directamente en el circuito integrado para convertir la energía acústica en energía eléctrica ”.

Konofagou agregó: “El ultrasonido continúa creciendo en importancia clínica a medida que se encuentran disponibles nuevas herramientas y técnicas. Este trabajo continúa esta tendencia ”.

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

Ingeniería de Columbia

Columbia Engineering, con sede en la ciudad de Nueva York, es una escuela de las más antiguas del país. También conocida como The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, la escuela expande el conocimiento y avanza la tecnología a través de la investigación pionera de sus más de 220 profesores, mientras educa a estudiantes de pregrado y posgrado en un entorno colaborativo para convertirse en líderes informados por una base firme Ingenieria. El cuerpo docente de la escuela está en el centro de la investigación interdisciplinaria de la Universidad, contribuyendo con el Instituto de Ciencia de Datos, el Instituto de la Tierra, el Instituto de Comportamiento Cerebro Mente Zuckerman, la Iniciativa de Medicina de Precisión y la Iniciativa Nano de Columbia. Guiado por su visión estratégica, “Columbia Engineering for Humanity.

ver más: