Wszczepialne urządzenia medyczne, szeroko stosowane do monitorowania różnorodnych sygnałów biologicznych, całkowicie zmieniają opiekę zdrowotną i poprawiają jakość życia milionów ludzi. Naukowcy chcą projektować bezprzewodowe, zminiaturyzowane, wszczepialne urządzenia medyczne do bieżącego monitorowania procesów fizjologicznych pacjentów. Dzięki nim można mierzyć temperaturę, ciśnienie krwi, poziom cukru i inne wskaźniki w celach zarówno diagnostycznych, jak i terapeutycznych.
Dotychczas implanty były nieefektywne ze względu na ich duże rozmiary. Wymagały wielu układów scalonych, przewodów i zewnętrznych przetworników. Do dostarczania energii często potrzebne były baterie. Jednak w elektronice postępuje miniaturyzacja i integracja różnych komponentów, dzięki czemu coraz więcej funkcji przenoszonych jest na układy scalone. Naukowcy w nowym artykule przekonują, że udało im się skonstruować mikroskopijny układ do monitorowania czynności życiowych ludzi. Badanie zostało opublikowane w „Science Advances”.
Badacze z Columbia Engineering donoszą, że udało im się zbudować najmniejszy na świecie układ scalony, którego całkowita objętość wynosi mniej niż 0,1 mm sześciennego. Układ jest tak mały jak roztocza i widoczny jedynie pod mikroskopem. Zespół wykorzystał ultradźwięki zarówno do zasilania, jak i bezprzewodowej komunikacji z urządzeniem.
- Chcieliśmy zobaczyć, jak daleko możemy przesunąć granice miniaturyzacji chipów – mówi prof. inż. Ken Shepard. – Opracowaliśmy nową koncepcję chipa jako całościowego systemu. Ten chip sam, bez niczego innego, jest kompletnym funkcjonującym systemem elektronicznym. To rewolucja w rozwoju bezprzewodowych, zminiaturyzowanych, wszczepialnych urządzeń medycznych, które mogą rejestrować różne parametry istotne dla leczenia ludzi – podkreśla naukowiec.
W skład zespołu naukowców, którzy opracowali urządzenie weszli również Chen Shi, Elisa Konofagou, Robert i Margaret Hariri oraz Stephen A. Lee. Pomysłodawcą chipa był Shi. Jego projekt jest wyjątkowy przede wszystkim ze względu na niewielkie rozmiary urządzenia.
Tradycyjne formy komunikacji przy takiej wielkości chipa nie wchodziły w grę. Dlatego zespół wykorzystał ultradźwięki zarówno do zasilania, jak i bezprzewodowej komunikacji z chipem. Naukowcy wykonali „antenę” bezpośrednio na powierzchni chipa.
Urządzenie jest w całości wszczepialne lub wstrzykiwalne. Chip wyprodukowano w Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, a nad różnymi modyfikacjami pracowano w laboratoriach Columbia Nano Initiative oraz w City University of New York.
Prof. Shepard twierdzi, że w chipie „wprowadzono nowe materiały do standardowego komplementarnego półprzewodnika metalowo-tlenkowego, co zapewniło nową funkcję” - W tym przypadku, dodaliśmy materiały piezoelektryczne bezpośrednio do układu scalonego, aby przekształcić energię akustyczną w elektryczną – podkreśla naukowiec.
Celem zespołu jest opracowanie chipów, które można wstrzykiwać do ciała za pomocą igły, a następnie zbierać odczyty za pomocą ultradźwięków. Obecne urządzenia mierzą temperaturę ciała, ale istnieje wiele innych możliwości, nad którymi pracują badacze.
Źródło: Columbia University School of Engineering and Applied Science, fot. Chen Shi/Columbia Engineering
