Kecil, Nirkabel, Chip Suntik Menggunakan Ultrasound untuk Memantau Proses Tubuh

Columbia Engineers telah mengembangkan sistem chip tunggal terkecil yang merupakan sirkuit elektronik yang berfungsi lengkap; chip implan yang hanya terlihat di mikroskop menunjukkan cara mengembangkan chip yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh dengan jarum suntik untuk memantau kondisi medis.

Banyak digunakan untuk memantau dan memetakan sinyal biologis, untuk mendukung dan meningkatkan fungsi fisiologis, dan untuk mengobati penyakit, perangkat medis implan mengubah perawatan kesehatan dan meningkatkan kualitas hidup jutaan orang. Para peneliti semakin tertarik untuk merancang perangkat medis implan mini nirkabel untuk pemantauan fisiologis in vivo dan in situ. Perangkat ini dapat digunakan untuk memantau kondisi fisiologis, seperti suhu, tekanan darah, glukosa, dan pernapasan untuk prosedur diagnostik dan terapeutik.

Sampai saat ini, elektronik implan konvensional sangat tidak efisien dalam volume — mereka umumnya membutuhkan banyak chip, pengemasan, kabel, dan transduser eksternal, dan baterai sering dibutuhkan untuk penyimpanan energi. Tren konstan dalam elektronika adalah integrasi yang lebih erat dari komponen elektronik, sering kali memindahkan lebih banyak fungsi ke sirkuit terintegrasi itu sendiri.

Para peneliti di Columbia Engineering melaporkan bahwa mereka telah membangun apa yang mereka sebut sebagai sistem chip tunggal terkecil di dunia, dengan konsumsi total volume kurang dari 0,1 mm ³ . Sistem ini sekecil tungau debu dan hanya terlihat di bawah mikroskop. Untuk mencapai hal ini, tim menggunakan ultrasound untuk memberi daya dan berkomunikasi dengan perangkat secara nirkabel.

“Kami ingin melihat seberapa jauh kami dapat mendorong batas seberapa kecil chip yang berfungsi yang dapat kami buat,” kata pemimpin studi tersebut Ken Shepard, profesor teknik elektro Keluarga Lau dan profesor teknik biomedis. “Ini adalah ide baru 'chip as system' — ini adalah chip yang sendiri, tanpa yang lain, adalah sistem elektronik yang berfungsi lengkap. Ini seharusnya revolusioner untuk mengembangkan perangkat medis implan mini nirkabel yang dapat merasakan berbagai hal, digunakan dalam aplikasi klinis, dan akhirnya disetujui untuk digunakan manusia.”

Tautan komunikasi RF tradisional tidak memungkinkan untuk perangkat sekecil ini karena panjang gelombang gelombang elektromagnetik terlalu besar dibandingkan dengan ukuran perangkat. Karena panjang gelombang untuk ultrasound jauh lebih kecil pada frekuensi tertentu karena kecepatan suara jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya, tim menggunakan ultrasound untuk memberi daya dan berkomunikasi dengan perangkat secara nirkabel. Mereka membuat "antena" untuk berkomunikasi dan memberi daya dengan ultrasound langsung di atas chip.

Chip, yang merupakan seluruh partikel yang dapat diimplan/disuntikkan tanpa kemasan tambahan, dibuat di Perusahaan Manufaktur Semikonduktor Taiwan dengan modifikasi proses tambahan yang dilakukan di ruang bersih Columbia Nano Initiative dan City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC) Fasilitas Nanofabrication.

Shepard berkomentar, “Ini adalah contoh bagus dari teknologi 'lebih dari Moore' — kami memperkenalkan material baru ke semikonduktor oksida logam pelengkap standar untuk menyediakan fungsi baru. Dalam hal ini, kami menambahkan bahan piezoelektrik langsung ke sirkuit terpadu untuk mengubah energi akustik menjadi energi listrik.”

Tujuan tim adalah untuk mengembangkan chip yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh dengan jarum suntik dan kemudian berkomunikasi kembali dari tubuh menggunakan ultrasound, memberikan informasi tentang sesuatu yang mereka ukur secara lokal. Perangkat saat ini mengukur suhu tubuh, tetapi ada lebih banyak kemungkinan yang sedang dikerjakan tim.