Hinter den Kulissen: Das kleinste System eines "Chips" der Welt kann durch Injektion in den menschlichen Körper implantiert werden und ist eine voll funktionsfähige elektronische Schaltung

Mai 2021

Die fortwährende Miniatur elektronischer Geräte eröffnet einige aufregende Möglichkeiten für diese Art von Mikrochip , die wir in unseren Körper einsetzen können, um unsere Gesundheit zu überwachen und zu verbessern.

Ingenieure der Columbia University haben eine extreme Version dieser Technologie demonstriert, indem sie die kleinste jemals geschaffene elektronische Schaltung ( Chip ) entwickelt haben, der eine subkutane Nadel implantiert werden kann, um die Temperatur im menschlichen Körper zu messen, und möglicherweise für viel mehr andere Dinge und medizinische Zwecke Vorsorgeuntersuchungen.

Von Implantaten in Marienkäfergröße, die den Sauerstoffgehalt in den tiefen Geweben des Körpers überwachen, bis hin zu winzigen " Nervenstaub " -Sensoren , die Nervensignale in Echtzeit überwachen, machen Wissenschaftler große Fortschritte in der Funktionalität winziger Elektronik.

Das kleinste System eines Chips der Welt kann jetzt durch Injektion in den menschlichen Körper injiziert werden und befindet sich wie in der Abbildung oben gezeigt an der Spitze einer Injektionsnadel. Die "Columbia Engineers" entwickeln das kleinste System eines Chips, bei dem es sich um eine voll funktionsfähige elektronische Schaltung handelt. Implantierbare Chips, die nur unter dem Mikroskop sichtbar sind, zeigen, wie sie mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können, um den Gesundheitszustand zu überwachen.

Forscher von Columbia Engineering haben nach eigenen Angaben das kleinste Einzelchip-System entwickelt, das weniger als 0,1 Kubikmillimeter groß ist - so klein wie ein Staubkorn und nur unter dem Mikroskop sichtbar. Die Kommunikation mit ihm sowie die Energieversorgung erfolgt über Mikrowellen.

Die Forschung wurde in Science Advances veröffentlicht. « Https://advances.sciencemag.org/content/7/19/eabf6312 »

"Wir wollten sehen, wie weit wir gehen können, um herauszufinden, wie klein wir einen funktionierenden Chip herstellen können", sagte der leitende Forscher Ken Shepard.

Es ist eine neue Idee "Chip als System" - ein Chip, der für sich genommen ohne irgendetwas anderes ein voll funktionsfähiges elektronisches System ist. "Dies wäre revolutionär für die Entwicklung drahtloser, winziger medizinischer Geräte, die verschiedene Dinge wahrnehmen, in klinischen Anwendungen verwendet und für den menschlichen Gebrauch zugelassen werden können."

Das Implantat, das von der Columbia University School of Engineering and Applied Sciences entwickelt wurde, eröffnet neue Wege und Horizonte als kleinster " Chip " der Welt , bei dem es sich um eine voll funktionsfähige elektronische Schaltung mit einem Gesamtvolumen von weniger als 0,1 mm handelt. Dies macht es so klein wie eine Hausstaubmilbe und ist nur unter einem Mikroskop sichtbar .

Zur Gruppe gehörten auch Eliza Konofagou, eine angesehene Wissenschaftlerin und Professorin für Biomedizinische Technik und Professorin für Radiologie, sowie Steven Lee, PhD in Frau Konofagous Labor. Entworfen von Dr. Chen Xi.

Der vollständig implantierbare Chip wurde von der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company mit zusätzlichen Modifikationen in der Columbia-Anlage und der Nanofabrikationsanlage des Advanced Science Research Center (ASRC) der City University of New York hergestellt.

Wie Shepard sagte: "Es ist ein gutes Beispiel für die 'Beyond Moore'-Technologie. Wir haben neue Materialien in einen komplementären Standard-Metalloxid-Halbleiter eingeführt, um neue Funktionen bereitzustellen."

Wie Frau Konofagou sagte: "Ultraschall gewinnt weiterhin an klinischer Bedeutung, da neue Werkzeuge und Techniken verfügbar werden. Diese Arbeit setzt diesen Trend fort. "

ΟμάδαςDas Ziel des Teams ist es, Chips zu entwickeln, die mit einer Injektionsnadel in den Körper eingeführt werden können und über Ultraschall kommunizieren und Informationen über etwas liefern, das sie lokal messen. Bestehende Geräte messen die Körpertemperatur, das Team arbeitet jedoch an vielen anderen Anwendungen.

Es wird darauf hingewiesen, dass Implantate bereits in großem Umfang zur Überwachung und Aufzeichnung biologischer Signale / Indikationen und zur Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden.

Das Interesse an der Entwicklung drahtloser, kleiner und implantierbarer medizinischer Geräte ist groß, da sie eine detaillierte Beobachtung der Vitalfunktionen für medizinische Zwecke ermöglichen - von der Temperatur über die Glukose bis hin zum Schwitzen.

Menschliche Vorbehalte

Viele Menschen fragen sich, was Mikrochips sind, was sie geben, aber auch, was sie den Menschen vorenthalten und welche Probleme sie verursachen können. Wie können sie jede Art von Freiheit zerstören, die wir jetzt haben, und wie können sie sogar die perfekte Waffe gegen uns werden, wenn sie unter die Kontrolle eines totalitären Regimes gebracht werden. Wer steckt dahinter? Was sind ihre Pläne?

Fragen, die die Mandarinen der Staatsmacht und die Profiteure der Pharmaindustrie und der wissenschaftlichen Gemeinschaft als Science-Fiction-Szenarien charakterisieren, sind die Befürchtungen der Menschen über die Nützlichkeit von Chips im menschlichen Körper und projizieren die Entwicklungen von Medizin und Technologie als perfekte Präventionswaffen Behandlung von Krankheiten und Beschwerden.

Bisher liegen uns jedoch keine ausreichenden Beweise für die Nützlichkeit ähnlicher medizinischer Entwicklungen und Technologien für die Weltbevölkerung, die Prävention tödlicher Krankheiten und Pandemien sowie die Anwendung einer angemessenen medizinischen Prävention in Schulen, am Arbeitsplatz und in sensiblen sozialen Gruppen vor und abgelegene Gebiete. Einwohner und Länder der Dritten Welt.

Ein " Nervenstaub " im Körper

Winzige Sensoren zur Gesundheitsüberwachung in Echtzeit. Ingenieure der University of California in Berkeley haben die ersten staubkornfreien Funksensoren entwickelt, die in den Körper implantiert werden können. Dies kommt dem Tag noch näher, an dem ein Gerät wie das Fitbit innere Nerven und Muskeln überwacht. Neuralstaub ", den das Team in Rattenmuskeln und periphere Nerven implantiert hat, ist insofern einzigartig, als Ultraschall sowohl zur Energieversorgung als auch zur Messung verwendet wird.

Forscher in den USA haben seit Mitte 2016 die ersten drahtlosen Sensoren in der Größe von Sandkörnern entwickelt, die in den Körper implantiert werden können und diese in Echtzeit ständig auf die Gesundheit von Organen, Muskeln oder Nerven überwachen.

Die Forscher unter der Leitung von Jose Carmena, Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik der University of California-Berkeley, veröffentlichten ihre Ergebnisse im neurowissenschaftlichen Journal Neuron - https : //www.fulltext/ne S0896-6273 (16) ) 30344-0 » .

Zusätzlich zur passiven Überwachung der Körpergesundheit können diese Sensoren in Zukunft invasiver wirken und Muskeln und Nerven aktivieren, eine Technologie, die bei der Behandlung von Erkrankungen wie Epilepsie helfen kann. Sie können sogar das Immunsystem aktivieren oder chronische innere Entzündungen bekämpfen.

Der sogenannte "Nervenstaub", den das Team in Rattenmuskeln und periphere Nerven implantiert hat, ist insofern einzigartig, als Ultraschall sowohl zur Energieversorgung als auch zur Messung verwendet wird. Die Ultraschalltechnologie wurde bereits ausreichend für den Einsatz in Krankenhäusern entwickelt, und Ultraschallvibrationen können im Gegensatz zu Radiowellen fast überall im Körper eindringen, berichten die Forscher.

Von Forschern als "Nervenstaub" bezeichnet, der bisher an Ratten getestet wurde (in ihre Muskeln und peripheren Nerven implantiert), verwenden die Forscher Ultraschall sowohl als Energiequelle als auch zum Senden von Messungen.

Ultraschall kann im Gegensatz zu Radiowellen fast überall im Körper eindringen, was bedeutet, dass Nervenstaub tief in den Körper implantiert werden kann.

Die Sensoren haben Abmessungen von 1x1x3 mm und werden voraussichtlich weiter schrumpfen. Dies bedeutet, dass sie irgendwann die Gehirnelektroden ersetzen könnten, die nun durch Löcher in den Schädel eingeführt werden.

Die Reduzierung des Sensors kann theoretisch bis zu einem Würfel mit einer Seite von 50 Millionstel Metern (oder der halben Breite eines menschlichen Haares) reichen, was jedoch in der Praxis noch bewiesen werden muss.

Der Sensor benötigt keine Batterie, da er einen piezoelektrischen Kristall enthält, der die aus dem Körper kommenden Ultraschallschwingungen in Elektrizität umwandelt.

Es liefert somit einen winzigen Transistor, der mit einem Muskel oder einer Nervenfaser in Kontakt steht, wodurch kontinuierlich Änderungen in der elektrischen Aktivität des letzteren aufgezeichnet werden. Der Sensor besteht aus biokompatiblen Materialien und kann mindestens ein Jahrzehnt im Körper überleben.

Die Sensoren, die Forscher bereits auf die Größe eines Kubikmillimeters - oder alternativ eines großen Staubkorns - geschrumpft haben, enthalten einen piezoelektrischen Kristall, der Ultraschallschwingungen von außerhalb des Körpers in Elektrizität umwandelt, um einen kleinen Trans zu versorgen, der sich im Inneren befindet Kontakt mit Muskel- oder Nervenfasern. Spannungsänderungen in den Fasern verändern den Stromkreis und die Schwingung des Kristalls, wodurch sich das vom Ultraschallempfänger erfasste Echo ändert - dasselbe Gerät, das die Schwingungen erzeugt.

Die heutigen implantierbaren Elektroden im Gehirn halten nur ein bis zwei Jahre. Die Forscher arbeiten bereits an vielen "Fronten", um den Sensor weiter zu verkleinern, noch biokompatiblere Materialien zu finden, die drahtlose Datenübertragung / den drahtlosen Datenempfang zu verbessern und seine Möglichkeiten über die Messung elektrischer Signale hinaus auf die Messung anderer Biomarker wie des Sauerstoffgehalts im zu erweitern Körper, Hormone, spezifische Nebenprodukte des Stoffwechsels usw.

"Die Vision ist es, diese Nervenstaubkörner überall im Körper zu implantieren, kombiniert mit einem Patch über dem interessierenden Punkt, der Ultraschallwellen sendet, um sie zu" wecken "und Informationen von ihnen zu erhalten", sagte Dongchin Seo, ein leitender Elektrotechniker und Informatik. "Auf lange Sicht werden Sie mehrere Implantate und ein Pflaster verwenden, das mit jedem Implantat einzeln oder mit allen gleichzeitig kommuniziert."

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