【突破】世界最小的可植入單芯片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線體溫監(jiān)測等功能

與非網(wǎng)訊 近日，哥倫比亞大學(xué)的一支工程師團(tuán)隊(duì)，展示了其開發(fā)了有史以來最小的可植入單芯片系統(tǒng)，總體積小于0.1 mm3 ，能夠在注射植入皮下之后實(shí)現(xiàn)測量體內(nèi)溫度等功能。

可植入人體的單芯片系統(tǒng)及功能模塊介紹

正如顯微鏡下拍攝的圖片，這款單芯片系統(tǒng)小到能夠通過針管來實(shí)現(xiàn)人體植入。放大后的單芯片系統(tǒng)呈現(xiàn)出方形的外觀，兩側(cè)邊長約為0.3毫米。想要造出如此精細(xì)的可植入單芯片系統(tǒng)，尤其需要在通信和供電方式上花費(fèi)一些心思。

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在體外觀測到的雞體組織植入芯片及測試情況

雖然市面上已有不少小型電子設(shè)備集成了具有無線電信號收發(fā)功能的射頻（RF）模塊，但其電磁波波長可能難以與如此小的設(shè)備配合使用。不過在特定的情況下，我們還是可以利用波長更小的超聲波方案。由于聲速遠(yuǎn)小于電磁波傳播的光速級別，研究團(tuán)隊(duì)還集成了一個(gè)壓電MEMS換能器，以將之當(dāng)做超聲波無線供電和通信的核心器件。

在小鼠大腦與后肢植入這款單芯片系統(tǒng)，進(jìn)行體溫測量

結(jié)合低功耗溫度傳感器，研究團(tuán)隊(duì)已能夠?qū)⑦@款可植入單芯片系統(tǒng)當(dāng)做感測實(shí)時(shí)溫度的探針。展望未來，還可期待它能發(fā)揮血壓、血糖、血氧監(jiān)測等更豐富的臨床功能。

此前，該研究團(tuán)隊(duì)已在超聲神經(jīng)刺激的活小鼠中證明了可植入單芯片系統(tǒng)的功能。甚至通過肌肉注射的方式，一次將七個(gè)可植入單芯片系統(tǒng)送入小鼠體內(nèi)。

在FUS刺激期間的小鼠坐骨神經(jīng)溫度監(jiān)測

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一般來說，小型電子設(shè)備可能采用射頻（RF）模塊來發(fā)送和接收電磁無線電信號，但這些波長太大了，不能用于如此小的設(shè)備。另一方面，在給定的頻率下，超聲波的波長要小得多，因?yàn)槁暡ǖ乃俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于電磁波傳播的光速。因此，該團(tuán)隊(duì)安裝了一個(gè)壓電換能器，作為無線供電和通過超聲波進(jìn)行通信的“天線”。

這與機(jī)載低功率溫度傳感器相結(jié)合，將芯片轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)溫度傳感的探針，使其能夠監(jiān)測體溫以及由超聲波治療應(yīng)用驅(qū)動的溫度波動。這種植入物的能力在實(shí)驗(yàn)活體老鼠身上得到了證明，在那里它被用于超聲波神經(jīng)刺激，通過注射器肌肉注射，一次最多可以將七個(gè)植入物植入實(shí)驗(yàn)老鼠體內(nèi)。

最終，科學(xué)家們設(shè)想將這種芯片植入人體，然后通過超聲波將測量到的信息無線傳輸出來。以目前的形式，這僅限于體溫，但未來可能還會包括血壓，血糖水平和呼吸功能等信息。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的科學(xué)家表示：“我們想看看，我們能把芯片的功能縮小到什么程度。這是‘芯片即系統(tǒng)’的新概念 —— 這是一種單獨(dú)的芯片，不需要其他任何東西，就是一個(gè)完整的電子系統(tǒng)。這對于開發(fā)無線微型植入式醫(yī)療設(shè)備來說應(yīng)該是革命性的，這種設(shè)備可以感知不同的東西，用于臨床應(yīng)用，并最終被批準(zhǔn)用于人類。”

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。