Продолжающаяся миниатюризация электроники открывает некоторые захватывающие возможности, когда речь идет о том, то что мы можем разместить в своем теле для контроля и улучшения своего здоровья. Инженеры Колумбийского университета продемонстрировали экстремальную версию этой технологии, разработав самую маленькую из когда-либо созданных однокристальных систем, которые можно было бы имплантировать с помощью иглы для подкожных инъекций для измерения температуры внутри тела и, возможно, многого другого.
От имплантатов размером с божью коровку, которые отслеживают уровень кислорода в глубоких тканях тела, до крошечных датчиков "neural dust", отслеживающих нервные сигналы в режиме реального времени, ученые делают большие шаги, когда дело доходит до функциональности крошечных электронных устройств. Имплант, разработанный инженерами Колумбийского университета, открывает новые горизонты в качестве самой маленькой однокристальной системы в мире, которая представляет собой полностью функциональную электронную схему с общим объемом менее 0,1 мм3.
Это делает его маленьким, как пылевой клещ, и видимым только под микроскопом. Для создания крошечного чипа требовалось нестандартное мышление, особенно когда речь идет о способах связи и питании.
Там, где небольшая электроника может иметь радиочастотные (RF) модули для передачи и приема электромагнитных радиосигналов, эти длины волн слишком велики для использования с таким маленьким устройством. С другой стороны, длины ультразвуковых волн намного меньше на данной частоте, поскольку скорость звука намного меньше скорости света, с которой распространяются электромагнитные волны. Итак, команда включила пьезоэлектрический преобразователь, который действует как «антенна» для беспроводного питания и связи через ультразвук.
Схематическое изображение устройства. Фото: Chen Shi/Columbia Engineering
Это в сочетании со встроенным маломощным датчиком температуры превращает чип в датчик для измерения температуры в реальном времени, позволяя контролировать температуру тела, а также колебания температуры, вызванные терапевтическим применением ультразвука. Возможности имплантата были продемонстрированы на живых мышах, где он использовался для ультразвуковой нейростимуляции, и его имплантировали мышам с помощью внутримышечной инъекции с помощью шприца.
Ученые воображают, что эти типы чипов будут имплантироваться в человеческое тело, а затем передавать по беспроводной сети информацию о том, что они измеряют с помощью ультразвука. В его нынешнем виде это ограничивается температурой тела, но другие возможности включают артериальное давление, уровень глюкозы и дыхательную функцию.
«Мы хотели посмотреть, насколько далеко мы сможем раздвинуть границы того, насколько маленьким можно будет сделать функционирующий чип», - говорит руководитель исследования Кен Шепард. «Это новая идея «чипа как системы» - это чип, который сам по себе, ни с чем другим, является полностью функционирующей электронной системой. Это должно быть революционным для разработки беспроводных миниатюрных имплантируемых медицинских устройств, которые могут быть датчиками для разных вещей, использоваться в клинических приложениях и, в конечном итоге, одобрены для использования людьми».
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: New Atlas / Columbia University