Chips Minúsculos, Sem Fio e Injetáveis Usam Ultrassom para Monitorar Processos Corporais
Os engenheiros da Columbia desenvolvem o menor sistema de chip único que é um circuito eletrônico em funcionamento completo; chips implantáveis visíveis apenas em um microscópio apontam o caminho para o desenvolvimento de chips que podem ser injetados no corpo com uma agulha hipodérmica para monitorar condições médicas.
12 DE MAIO DE 2021 | POR HOLLY EVARTS | CRÉDITO DE IMAGEM: CHEN SHI / COLUMBIA ENGENHARIA
Amplamente usados para monitorar e mapear sinais biológicos, para apoiar e aprimorar funções fisiológicas e para tratar doenças, os dispositivos médicos implantáveis estão transformando a saúde e melhorando a qualidade de vida de milhões de pessoas. Os pesquisadores estão cada vez mais interessados em projetar dispositivos médicos implantáveis miniaturizados sem fio para monitoramento fisiológico in vivo e in situ. Esses dispositivos podem ser usados para monitorar as condições fisiológicas, como temperatura, pressão arterial, glicose e respiração, tanto para procedimentos diagnósticos quanto terapêuticos.
Até o momento, os componentes eletrônicos implantados convencionais têm sido altamente ineficientes em termos de volume – geralmente exigem vários chips, embalagens, fios e transdutores externos, e as baterias são frequentemente necessárias para armazenamento de energia. Uma tendência constante na eletrônica tem sido a integração mais estreita de componentes eletrônicos, muitas vezes transferindo mais e mais funções para o próprio circuito integrado.
Pesquisadores da Columbia Engineering relatam que construíram o que dizem ser o menor sistema de chip único do mundo, consumindo um volume total de menos de 0,1 mm3. O sistema é tão pequeno quanto um ácaro e visível apenas ao microscópio. Para conseguir isso, a equipe usou o ultrassom para alimentar e se comunicar com o dispositivo sem fio. O estudo foi publicado online em 7 de maio na Science Advances.
“Queríamos ver o quão longe poderíamos forçar os limites de quão pequeno um chip funcional poderíamos fazer”, disse o líder do estudo Ken Shepard, professor de engenharia elétrica da Lau Family e professor de engenharia biomédica. “Esta é uma nova ideia de‘ chip como sistema ’- este é um chip que sozinho, com nada mais, é um sistema eletrônico em funcionamento completo. Isso deve ser revolucionário para o desenvolvimento de dispositivos médicos implantáveis miniaturizados sem fio que podem detectar coisas diferentes, ser usados em aplicações clínicas e, eventualmente, aprovados para uso humano.”
A equipe também incluiu Elisa Konofagou, Robert e Margaret Hariri Professor de engenharia Biomédica e professor de radiologia, bem como Stephen A. Lee, estudante de doutorado no laboratório Konofagou que ajudou nos estudos com animais.
O desenho foi feito pelo estudante de doutorado Chen Shi, que é o primeiro autor do estudo. O design de Shi é único em sua eficiência volumétrica, a quantidade de função que está contida em uma determinada quantidade de volume. Os links de comunicação de RF tradicionais não são possíveis para um dispositivo tão pequeno porque o comprimento de onda da onda eletromagnética é muito grande em relação ao tamanho do dispositivo. Como os comprimentos de onda do ultrassom são muito menores em uma determinada frequência, porque a velocidade do som é muito menor do que a velocidade da luz, a equipe usou o ultrassom para alimentar e se comunicar com o dispositivo sem fio. Eles fabricaram a “antena” para comunicação e alimentação com ultrassom diretamente no topo do chip.
O chip, que é todo o mote implantável / injetável sem embalagem adicional, foi fabricado na Taiwan Semiconductor Manufacturing Company com modificações de processo adicionais realizadas na sala limpa da Columbia Nano Initiative e na Nanofabricação do Centro de Pesquisa Científica Avançada da Universidade da Cidade de Nova York (ASRC) Instalação.
Shepard comentou: “Este é um bom exemplo de tecnologia‘ mais do que Moore ’- introduzimos novos materiais no semicondutor de óxido de metal complementar padrão para fornecer uma nova função. Neste caso, adicionamos materiais piezoelétricos diretamente no circuito integrado para transformar energia acústica em energia elétrica. ”
Konofagou acrescentou: “O ultrassom continua a crescer em importância clínica à medida que novas ferramentas e técnicas se tornam disponíveis. Este trabalho continua esta tendência. ”
O objetivo da equipe é desenvolver chips que podem ser injetados no corpo com uma agulha hipodérmica e, em seguida, comunicar de volta para fora do corpo usando ultrassom, fornecendo informações sobre algo que medem localmente. Os aparelhos atuais medem a temperatura corporal, mas existem muitas outras possibilidades nas quais a equipe está trabalhando.
Fonte: https://www.engineering.columbia.edu/press-releases/shepard-injectable-chips-monitor-body-processes
Gostou deste assunto? Que tal ficar em sintonia com os nossos estudos, dicas e curiosidades?
Convidamos você a se juntar a nós em uma exploração profunda destes temas. Siga-nos nas redes sociais: Twitter, Instagram, Pinterest e Telegram. Aventure-se em nosso Canal no Youtube para conteúdo inspirador sobre estes assuntos. Saiba mais sobre nossa missão na Bio. Mantenha-se conectado conosco assinando nosso feed.