Chip siêu nhỏ, không dây có thể theo dõi sinh học

Những thiết bị y tế cấy ghép được sử dụng rộng rãi để theo dõi và lập bản đồ tín hiệu sinh học, hỗ trợ và tăng cường các chức năng sinh lý, điều trị bệnh đang làm thay đổi quy trình chăm sóc sức khỏe và nâng cao chất lượng cuộc sống cho nhiều triệu người.

Cho đến nay, những thiết bị điện tử được cấy ghép truyền thống thường có hiệu quả không cao do khối lượng lớn và thiết kế cần phải có nhiều chip, vỏ bảo vệ, dây dẫn, đầu dò tín hiệu, pin lưu trữ năng lượng.

Một xu hướng không đổi trong lĩnh vực điện tử là tích hợp chặt chẽ hơn những thành phần điện tử, tăng cường nhiều chức năng lên bo mạch tích hợp.

Các nhà khoa học tại Columbia Engineering thuộc Đại học Columbia ở NewYork thông báo chế tạo thành công một hệ thống chip đơn nhỏ nhất thế giới, có tổng thể tích nhỏ hơn 0,1mm3.

Hệ thống nhỏ như một mạt bụi, chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Để chip hoạt động, nhóm nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm cung cấp năng lượng và giao tiếp không dây với thiết bị. Nghiên cứu được công bố ngày 7/5 trên Tạp chí trực tuyến Science Advances.

Chíp siêu nhỏ, nằm trong một đầu mũi kim tiêm dưới kính hiển vi.

Trưởng nhóm nghiên cứu Ken Shepard, giáo sư kỹ thuật điện và kỹ thuật y sinh tại Lau Family cho biết: “Chúng tôi muốn xem có thể tạo ra một con chíp nhỏ hoạt động, đạt đến mức độ giới hạn nào về thu nhỏ kích thước. Đây là một ý tưởng mới về “chip như một hệ thống” - một con chip duy nhất là một hệ thống điện tử hoạt động hoàn chỉnh. Kết quả này sẽ tạo lên một cuộc cách mạng phát triển các thiết bị y tế cấy ghép không dây, kích thước siêu nhỏ có thể thu thập những dấu hiệu sinh lý khác nhau, sử dụng trong chuẩn đoán và điều trị bệnh cho con người".

Chen Shi, nghiên cứu sinh tiến sĩ, tác giả đầu tiên của nghiên cứu đã thiết kế con chíp siêu nhỏ này. Thiết kế của Shi độc đáo và duy nhất với đặc tính hiệu suất thể tích và số lượng chức năng chứa trong một thể tích nhất định.

Những liên kết truyền thông sử dụng vô tuyến RF truyền thống không thể thực hiện được với một thiết bị siêu nhỏ do bước sóng điện từ quá lớn so với kích thước thiết bị.

Do các bước sóng của sóng siêu âm nhỏ hơn trên một tần số nhất định, nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng sóng siêu âm để cung cấp năng lượng và giao tiếp không dây với thiết bị. Các nhà khoa học chế tạo "anten" giao tiếp và cấp nguồn bằng sóng siêu âm trực tiếp trên đầu chip.

Con chip có cấu trúc toàn bộ vi mạch, có thể cấy/tiêm mà không cần vỏ bọc, được chế tạo tại Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (Trung Quốc) với những sửa đổi bổ sung được thực hiện trong Phòng sạch của Sáng kiến Nano Columbia và Cơ sở Chế tạo nano của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Tiên tiến Đại học Thành phố New York (ASRC).

Các nhà khoa học đã đưa vật liệu mới vào công nghệ chế tạo mạch vi xử lý tích hợp "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" (SMOS) để đưa vào các chức năng mới. Trong thiết kế này, họ đã thêm vật liệu áp điện trực tiếp lên mạch tích hợp, chuyển năng lượng siêu âm từ đầu dò thành điện năng. 

GS Konofagou cho biết thêm, tầm quan trọng của siêu âm đang tiếp tục gia tăng trong lâm sàng khi các công cụ và kỹ thuật mới ra đời. Công trình nghiên cứu được phát triển theo xu hướng này.

Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là phát triển những con chip có thể được tiêm vào cơ thể bằng kim tiêm dưới da, giao tiếp với thiết bị hiển thị thông tin bên ngoài cơ thể bằng sóng siêu âm, cung cấp thông tin về những gì mà thiết bị đo được tại khu vực chíp hoạt động. Những chíp mới chế tạo hiện có thể đo nhiệt độ trong cơ thể, nhưng nhóm nhà khoa học sẽ phát triên thêm nhiều khả năng khác.