Chip piccolo come un acaro della polvere

I ricercatori hanno costruito quello che dicono sia il sistema a chip singolo più piccolo al mondo, consumando un volume totale inferiore a 0,1 mm3. Il sistema è piccolo come un acaro della polvere e visibile solo al microscopio.

Ampiamente utilizzati per monitorare e mappare i segnali biologici, per supportare e migliorare le funzioni fisiologiche e per curare le malattie, i dispositivi medici impiantabili stanno trasformando l'assistenza sanitaria e migliorando la qualità della vita di milioni di persone. I ricercatori sono sempre più interessati alla progettazione di dispositivi medici impiantabili miniaturizzati wireless per il monitoraggio fisiologico in vivo e in situ. Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per monitorare condizioni fisiologiche, come temperatura, pressione sanguigna, glucosio e respirazione sia per procedure diagnostiche che terapeutiche.

Ad oggi, l'elettronica impiantata convenzionale è risultata altamente inefficiente in termini di volume: generalmente richiedono più chip, imballaggi, cavi e trasduttori esterni e le batterie sono spesso necessarie per l'immagazzinamento dell'energia. Una tendenza costante nell'elettronica è stata l'integrazione più stretta dei componenti elettronici, spesso spostando sempre più funzioni sul circuito integrato stesso.

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver costruito quello che dicono sia il sistema a chip singolo più piccolo al mondo, con un volume totale inferiore a 0,1 mm3. Il sistema è piccolo come un acaro della polvere e visibile solo al microscopio. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha utilizzato gli ultrasuoni per alimentare e comunicare con il dispositivo in modalità wireless. Lo studio è stato pubblicato su Science Advances. (1)

Il dottor Ken Shepard, (2) leader dello studio Ken Shepard, professore di ingegneria elettrica (3) della famiglia Lau e professore di ingegneria biomedica, (4) asserisce: «Volevamo verificare fino a che punto potevamo spingere i limiti di mignaturizzazione di un chip funzionante. Questa è una nuova idea di “chip come sistema”: questo è un minuscolo circuito che da solo, senza alcun supporto correlato, è un sistema elettronico completamente funzionante. Questo dovrebbe essere rivoluzionario per lo sviluppo di dispositivi medici impiantabili miniaturizzati wireless in grado di rilevare cose diverse come, ad esempio, essere utilizzato in applicazioni cliniche ed eventualmente approvato per uso umano».

Il team comprendeva anche la dottoressa Elisa E. Konofagou, (5) Robert e Margaret Hariri Professore di ingegneria biomedica e professore di radiologia, nonché Stephen A. Lee, studente di dottorato nel laboratorio della Konofagou che ha assistito negli studi sugli animali.

Il progetto è stato realizzato dallo studente di dottorato Chen Shi, che è il primo autore dello studio. Il design di Shi è unico nella sua efficienza volumetrica, la quantità di funzione contenuta in una data quantità di volume. I tradizionali collegamenti di comunicazione RF non sono possibili per un dispositivo così piccolo perché la lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica è troppo grande rispetto alle dimensioni del dispositivo. Poiché le lunghezze d'onda degli ultrasuoni sono molto più piccole a una determinata frequenza perché la velocità del suono è molto inferiore alla velocità della luce, il team ha utilizzato gli ultrasuoni sia per alimentare che per comunicare con il dispositivo in modalità wireless. Hanno fabbricato “l'antenna” per comunicare e alimentare con gli ultrasuoni direttamente sul chip.

Il chip, che è l'interente impiantabile/iniettabile senza imballaggi aggiuntivi, è stato fabbricato presso la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con ulteriori modifiche di processo eseguite nella camera bianca della Columbia Nano Initiative e nell'Advanced Science Research Center (ASRC) della City University di New York. Servizio, struttura.

Il professor Ken Shepard ha commentato: «Questo è un bell'esempio di tecnologia ‘more than Moore’ - abbiamo introdotto nuovi materiali su semiconduttori di ossido di metallo complementari standard per fornire una nuova funzione. In questo caso, abbiamo aggiunto materiali piezoelettrici direttamente sul circuito integrato al trasduttore energia acustica in energia elettrica».

La dottoressa Elisa E. Konofagou ha aggiunto: «Gli ultrasuoni continuano a crescere in importanza clinica man mano che nuovi strumenti e tecniche diventano disponibili. Questo lavoro alimenta la continuità di questa tendenza».

L'obiettivo del team è sviluppare chip che possono essere iniettati nel corpo con un ago ipodermico e quindi comunicare nuovamente fuori dal corpo utilizzando gli ultrasuoni, fornendo informazioni su qualcosa che misurano localmente. Gli attuali dispositivi misurano la temperatura corporea, ma ci sono molte più possibilità su cui il team sta lavorando.

Columbia Engineering, con sede a New York City, è una delle migliori scuole di ingegneria negli Stati Uniti e una delle più antiche della nazione. Conosciuta anche come The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, la scuola espande la conoscenza e fa avanzare la tecnologia attraverso la ricerca pionieristica dei suoi oltre 220 docenti, mentre educa studenti universitari e laureati in un ambiente collaborativo per diventare leader informati da una solida fondazione in ingegneria. I docenti della Scuola sono al centro della ricerca interdisciplinare dell'Università, contribuendo al Data Science Institute, all'Earth Institute, allo Zuckerman Mind Brain Behaviour Institute, alla Precision Medicine Initiative e alla Columbia Nano Initiative. Guidata dalla sua visione strategica, “Columbia Engineering for Humanity”, la Scuola mira a tradurre le idee in innovazioni che promuovano un'umanità sostenibile, sana, sicura, connessa e creativa.

Riferimenti:

(1) Application of a sub–0.1-mm³ implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing

(2) Ken Shepard

(3) Electrical Engineering

(4) Biomedical Engineering

(5) Elisa E. Konofagou

Descrizione foto: Chip mostrati nella punta di un ago ipodermico. Gli ingegneri della Columbia sviluppano il più piccolo sistema a chip singolo che è un circuito elettronico completamente funzionante; I chip impiantabili visibili solo al microscopio indicano la strada per lo sviluppo di chip che possono essere iniettati nel corpo con un ago ipodermico per monitorare le condizioni mediche. - Credit: Chen Shi/Columbia Engineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny, Wireless, Injectable Chips Use Ultrasound to Monitor Body Processes