Chip Kecil, Nirkabel, dan Dapat Disuntikkan Menggunakan Ultrasound untuk Memantau Proses Tubuh

Columbia Engineers 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

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 kali dibutuhkan untuk penyimpanan energi. Tren konstan dalam elektronika adalah integrasi komponen elektronik yang lebih ketat, sering kali semakin banyak fungsi yang dipindahkan 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 total volume kurang dari 0,1 mm3. Sistem ini sekecil tungau debu dan hanya terlihat di bawah mikroskop. Untuk mencapai ini, tim menggunakan ultrasound untuk memberi daya dan berkomunikasi dengan perangkat secara nirkabel. Studi ini dipublikasikan secara online pada 7 Mei di Science Advances .

“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.”

Tim juga termasuk Elisa Konofagou , Robert dan Margaret Hariri Profesor teknik biomedis dan profesor radiologi, serta Stephen A. Lee, mahasiswa PhD di lab Konofagou yang membantu dalam studi hewan.

Desain dilakukan oleh mahasiswa doktoral Chen Shi, yang merupakan penulis pertama studi tersebut. Desain Shi unik dalam efisiensi volumetriknya, jumlah fungsi yang terkandung dalam jumlah volume tertentu. Tautan komunikasi RF tradisional tidak dimungkinkan 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 bagian yang dapat ditanamkan/disuntikkan tanpa kemasan tambahan, dibuat di Perusahaan Manufaktur Semikonduktor Taiwan dengan modifikasi proses tambahan yang dilakukan di ruang bersih Columbia Nano Initiative dan Nanofabrication Pusat Penelitian Sains Lanjutan (ASRC) City University of New York Fasilitas.

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 terintegrasi untuk mengubah energi akustik menjadi energi listrik.”

Konofagou menambahkan, “Ultrasound terus berkembang dalam kepentingan klinis seiring dengan tersedianya alat dan teknik baru. Pekerjaan ini melanjutkan tren ini.”

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.

###

Teknik Kolombia

Columbia Engineering, yang berbasis di New York City, adalah salah satu sekolah teknik terbaik di AS dan salah satu yang tertua di negara ini. Juga dikenal sebagai The Fu Foundation School of Engineering and Applied Science, Sekolah ini memperluas pengetahuan dan memajukan teknologi melalui penelitian perintis di lebih dari 220 fakultasnya, sambil mendidik mahasiswa sarjana dan pascasarjana dalam lingkungan kolaboratif untuk menjadi pemimpin yang diinformasikan oleh fondasi yang kuat dalam rekayasa. Fakultas Sekolah berada di pusat penelitian lintas disiplin Universitas, berkontribusi pada Data Science Institute, Earth Institute, Zuckerman Mind Brain Behavior Institute, Precision Medicine Initiative, dan Columbia Nano Initiative. Dipandu oleh visi strategisnya, “Columbia Engineering for Humanity,

Sumber : Engineering Columbia Edu