ニューヨーク州ニューヨーク– 11年2021月XNUMX日–生物学的信号の監視とマッピング、生理学的機能のサポートと強化、および病気の治療に広く使用されている埋め込み型医療機器は、医療を変革し、何百万人もの人々の生活の質を向上させています。 研究者は、invivoおよびinsituの生理学的モニタリング用のワイヤレスで小型化された埋め込み型医療機器の設計にますます関心を持っています。 これらのデバイスは、診断と治療の両方の手順で、体温、血圧、ブドウ糖、呼吸などの生理学的状態を監視するために使用できます。

これまで、従来の埋め込み型電子機器は非常に体積効率が悪く、一般に複数のチップ、パッケージ、ワイヤー、外部トランスデューサーが必要であり、エネルギー貯蔵にはバッテリーが必要になることがよくあります。 エレクトロニクスの絶え間ない傾向は、電子部品のより緊密な統合であり、多くの場合、ますます多くの機能を集積回路自体に移しています。

コロンビアエンジニアリングの研究者は、彼らが言うところの世界最小のシングルチップシステムを構築し、総体積が0.1mm3未満であると報告しています。 このシステムはダニと同じくらい小さく、顕微鏡でしか見ることができません。 これを達成するために、チームは超音波を使用して、デバイスにワイヤレスで電力を供給し、通信しました。 この研究は7月XNUMX日にオンラインで公開されました 科学の進歩.

「私たちは、機能するチップをどれだけ小さくできるかという限界をどこまで押し上げることができるかを見たかったのです」と、研究のリーダーである電気工学のラウファミリー教授で生物医学工学の教授であるケンシェパードは述べました。 「これは「システムとしてのチップ」の新しいアイデアです。これは、単独で、他に何もない、完全に機能する電子システムであるチップです。 これは、さまざまなものを感知し、臨床アプリケーションで使用され、最終的には人間による使用が承認される、ワイヤレスで小型化された埋め込み型医療機器の開発にとって革新的なものになるはずです。」

チームには、Elisa Konofagou、医用生体工学のRobert and Margaret Hariri教授、放射線学の教授、および動物研究を支援したKonofagou研究室の博士課程の学生であるStephen A.Leeも含まれていました。

設計は、研究の最初の著者である博士課程の学生ChenShiによって行われました。 Shiの設計は、その体積効率、つまり特定の体積に含まれる機能の量において独特です。 従来のRF通信リンクは、電磁波の波長がデバイスのサイズに比べて大きすぎるため、これほど小さいデバイスでは不可能です。 音速が光速よりもはるかに遅いため、超音波の波長は特定の周波数ではるかに短いため、チームは超音波を使用してデバイスにワイヤレスで電力を供給し、通信しました。 彼らは、チップ上に直接超音波で通信して電力を供給するための「アンテナ」を製造しました。

追加のパッケージなしで移植可能/注射可能なモート全体であるチップは、コロンビアナノイニシアチブクリーンルームとニューヨーク市立大学先端科学研究センター（ASRC）ナノファブリケーションで追加のプロセス変更が行われた台湾半導体製造会社で製造されました施設。

シェパードは次のようにコメントしています。「これは「ムーア以上の」技術の良い例です。新しい機能を提供するために、標準の相補型金属酸化膜半導体に新しい材料を導入しました。 この場合、圧電材料を集積回路に直接追加して、音響エネルギーを電気エネルギーに変換しました。」

Konofagou氏は、次のように述べています。「新しいツールや技術が利用可能になるにつれて、超音波は臨床的に重要性を増し続けています。 この仕事はこの傾向を続けています。」

チームの目標は、皮下注射針で体内に注入し、超音波を使用して体外に通信し、局所的に測定したものに関する情報を提供できるチップを開発することです。 現在のデバイスは体温を測定しますが、チームが取り組んでいる可能性は他にもたくさんあります。

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研究について

この研究のタイトルは「0.1mm3未満の埋め込み型モートのinvivoリアルタイムワイヤレス温度検知への応用」です。

著者は次のとおりです。ChenShi1、Victoria Andino-Pavlovsky1、Stephen A. Lee2、Tiago Costa1,3、Jeffrey Elloian1、Elisa E. Konofagou2,4、Kenneth L.Shepard1,2

1コロンビア大学電気工学科

2コロンビア大学医用生体工学科

3オランダ、デルフト工科大学マイクロエレクトロニクス学部

4コロンビア大学放射線科

この研究は、WM Keck Foundationからの助成金と、契約HR0011-15-2-0054および協力協定D20AC00004に基づく国防高等研究計画局（DARPA）によって部分的にサポートされました。

ChenShiとKennethL。Shepardは、コロンビア大学が出願した仮特許（特許出願第15 / 911,973号）に発明者として記載されています。 他の著者は宣言します
競合する利害関係はありません。

リンク：

紙：https：//進歩。サイエンスマグ。org /コンテンツ/7/19 /eabf6312

DOI：10.1126 / sciadv.abf6312

http://engineering.コロンビア。edu /

http://advances.サイエンスマグ。org /

https：//エンジニアリング。コロンビア。edu /学部/ケンシェパード

http://www.EE。コロンビア。edu /

http://bme.コロンビア。edu /

http://cni.コロンビア。edu /クニ

コロンビアエンジニアリング

ニューヨーク市に本拠を置くColumbiaEngineeringは、米国でトップクラスの工学学校の220つであり、米国で最も古い学校のXNUMXつです。 フー財団工学応用科学学校としても知られるこの学校は、XNUMXを超える学部の先駆的な研究を通じて知識を拡大し、技術を進歩させ、学部生と大学院生を共同環境で教育し、エンジニアリング。 学校の教員は、大学の学際的研究の中心であり、データサイエンス研究所、地球研究所、ザッカーマンマインドブレインビヘイビア研究所、精密医学イニシアチブ、およびコロンビアナノイニシアチブに貢献しています。 学校は、その戦略的ビジョンである「人類のためのコロンビアエンジニアリング」に導かれ、アイデアを、持続可能で、健康で、安全で、つながりのある、創造的な人類を育む革新に変換することを目指しています。