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

Les ingénieurs de Columbia ont développé le plus petit système à puce unique qui soit un circuit électronique fonctionnel complet ; des puces implantables visibles uniquement au microscope ouvrent la voie au développement de puces pouvant être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique pour surveiller les conditions médicales.

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 le suivi physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller les conditions physiologiques, telles que la température, la pression artérielle, la glycémie et la respiration pour les procédures diagnostiques et thérapeutiques.

À ce jour, l'électronique implantée conventionnelle a été très inefficace en termes de volume - elle nécessite généralement plusieurs puces, emballages, fils et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage de l'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.

Des chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu'ils ont construit ce qu'ils disent être le plus petit système à puce unique au monde, consommant un volume total de moins de 0,1 mm ³ . Le système est aussi petit qu'un acarien et n'est visible qu'au microscope. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter et communiquer sans fil avec l'appareil.

"Nous voulions voir jusqu'où nous pouvions repousser les limites de la taille d'une puce fonctionnelle que nous pouvions fabriquer", a déclaré le responsable de l'étude, Ken Shepard, professeur de génie électrique de la famille Lau et professeur de génie biomédical. "C'est une nouvelle idée de" puce en tant que système "- c'est une puce qui, à elle seule, sans rien d'autre, est un système électronique fonctionnel complet. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil qui peuvent détecter différentes choses, être utilisés dans des applications cliniques et éventuellement approuvés pour un usage humain. »

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. Parce que les longueurs d'onde des ultrasons sont beaucoup plus petites à une fréquence donnée parce que la vitesse du son est bien inférieure à la vitesse de la lumière, l'équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter et communiquer sans fil avec l'appareil. Ils ont fabriqué "l'antenne" pour communiquer et alimenter avec des ultrasons directement sur la puce.

La puce, qui est l'intégralité de la mote implantable/injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée à la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company avec des modifications de processus supplémentaires effectuées dans la salle blanche Columbia Nano Initiative et au City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Installation de nanofabrication.

Shepard a commenté:«C'est un bel exemple de technologie« plus que Moore »- nous avons introduit de nouveaux matériaux sur un métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire standard pour fournir de nouvelles fonctions. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transformer l'énergie acoustique en énergie électrique."

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