Los dispositivos médicos implantables, ampliamente utilizados para monitorear y mapear señales biológicas, respaldar y mejorar las funciones fisiológicas y tratar enfermedades, están transformando la atención médica y mejorando la calidad de vida de millones de personas. 

Los investigadores están cada vez más interesados ​​en diseñar dispositivos médicos implantables miniaturizados e inalámbricos para la monitorización fisiológica in vivo e in situ. Estos dispositivos podrían usarse para controlar las condiciones fisiológicas, como la temperatura, la presión arterial, la glucosa y la respiración, tanto para procedimientos de diagnóstico como terapéuticos.

Hasta la fecha, la electrónica implantada convencional ha sido muy ineficaz en cuanto al volumen; generalmente requieren múltiples chips, empaques, cables y transductores externos, y a menudo se necesitan baterías para el almacenamiento de energía. Una tendencia constante en la electrónica ha sido la integración más estricta de los componentes electrónicos, a menudo trasladando más y más funciones al circuito integrado en sí.

Los investigadores de Columbia Engineering informan que han construido lo que dicen que es el sistema de un solo chip más pequeño del mundo, que consume un volumen total de menos de 0,1 mm3. El sistema es tan pequeño como un ácaro del polvo y solo es visible bajo un microscopio. Para lograr esto, el equipo utilizó ultrasonidos para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica. El estudio aparece en la edición en línea del 7 de mayo de Science Advances .

«Queríamos ver hasta dónde podíamos sobrepasar los límites de lo pequeño que podíamos fabricar un chip funcional», dijo el líder del estudio, Ken Shepard, profesor de ingeniería eléctrica de la familia Lau y profesor de ingeniería biomédica. «Esta es una nueva idea de ‘chip como sistema’: este es un chip que solo, sin nada más, es un sistema electrónico de funcionamiento completo. Esto debería ser revolucionario para el desarrollo de dispositivos médicos implantables miniaturizados e inalámbricos que pueden detectar diferentes cosas, ser utilizado en aplicaciones clínicas y finalmente aprobado para uso humano «.

El equipo también incluyó a Elisa Konofagou, Robert y Margaret Hariri, profesor de ingeniería biomédica y profesor de radiología, así como Stephen A. Lee, estudiante de doctorado en el laboratorio de Konofagou que ayudó en los estudios con animales.

El diseño fue realizado por el estudiante de doctorado Chen Shi, quien es el primer autor del estudio. El diseño de Shi es único en su eficiencia volumétrica, la cantidad de función contenida en una determinada cantidad de volumen. Los enlaces de comunicaciones de RF tradicionales no son posibles para un dispositivo tan pequeño porque la longitud de onda de la onda electromagnética es demasiado grande en relación con el tamaño del dispositivo. Debido a que las longitudes de onda de los ultrasonidos son mucho más pequeñas a una frecuencia dada debido a que la velocidad del sonido es mucho menor que la velocidad de la luz, el equipo utilizó ultrasonidos para alimentar y comunicarse con el dispositivo de forma inalámbrica. Fabricaron la «antena» para comunicarse y alimentarse con ultrasonido directamente en la parte superior del chip.

El chip, que es todo el mote implantable / inyectable sin embalaje adicional, fue fabricado en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company con modificaciones de proceso adicionales realizadas en la sala limpia de la Iniciativa Columbia Nano y el Centro de Investigación Científica Avanzada (ASRC) de la Universidad de la Ciudad de Nueva York Instalaciones.

Shepard comentó: «Este es un buen ejemplo de tecnología ‘más que Moore’: introdujimos nuevos materiales en semiconductores de óxido de metal complementarios estándar para proporcionar una nueva función. En este caso, agregamos materiales piezoeléctricos directamente en el circuito integrado al transductor energía acústica a energía eléctrica «.

Konofagou agregó: «El ultrasonido continúa creciendo en importancia clínica a medida que se encuentran disponibles nuevas herramientas y técnicas. Este trabajo continúa esta tendencia».

El objetivo del equipo es desarrollar chips que puedan inyectarse en el cuerpo con una aguja hipodérmica y luego comunicarse fuera del cuerpo mediante ultrasonido, proporcionando información sobre algo que miden localmente. Los dispositivos actuales miden la temperatura corporal, pero hay muchas más posibilidades en las que el equipo está trabajando.

Fuente: la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts