Puce sans fil miniature utilise ultrasons pour surveiller processus corporels

Plus petit système monocible au monde pour implants médicaux

Des ingénieurs de Columbia ont développé le plus petit système monocible qui est un circuit électronique complet et fonctionnel ; des puces implantables visibles seulement au microscope ouvrent la voie au développement de puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique pour surveiller des conditions médicales.

Largement utilisées pour surveiller et cartographier des signaux biologiques, pour soutenir et améliorer des fonctions physiologiques, et pour traiter des 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 sans fil miniaturisés pour la surveillance physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller des conditions physiologiques, telles que la température, la pression artérielle, le glucose et la respiration pour des procédures diagnostiques et thérapeutiques.

À ce jour, l'électronique implantée conventionnelle a été hautement inefficace en volume — elles nécessitent généralement plusieurs puces, boîtiers, fils, et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage d'énergie. Une tendance constante dans l'électronique a été l'intégration plus serrée 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 monocible au monde, consommant un volume total de moins de 0,1 mm³. Le système est aussi petit qu'un acarien et visible seulement sous un microscope. Pour y parvenir, l'équipe a utilisé les ultrasons pour à la fois alimenter et communiquer avec le dispositif sans fil.

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

Les liens de communication RF traditionnels ne sont pas possibles pour un dispositif aussi petit car la longueur d'onde de l'onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille du dispositif. Parce que les longueurs d'onde pour les 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 à la fois alimenter et communiquer avec le dispositif sans fil. Ils ont fabriqué l'« antenne » pour communiquer et alimenter avec les ultrasons directement sur le dessus de la puce.

La puce, qui est l'ensemble du mote implantable/injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée chez Taiwan Semiconductor Manufacturing Company avec des modifications de processus supplémentaires effectuées dans la salle propre Columbia Nano Initiative et le Centre de Nanofabrication Advanced 3+ Research Center (ASRC) de la City University of New York.

Shepard a commenté : « C'est un bel exemple de technologie 'more than Moore' — nous avons introduit de nouveaux matériaux sur un semi-conducteur métal-oxyde complémentaire standard pour fournir de nouvelles fonctions. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transduire 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 et puis communiquer hors du corps en utilisant les ultrasons, fournissant des informations sur quelque chose qu'elles mesurent localement. Les dispositifs actuels mesurent la température corporelle, mais il y a beaucoup plus de possibilités sur lesquelles l'équipe travaille.