微如塵埃,可用針頭注射,世界最小的單晶片系統如何打造?

作者 | 發布日期 2021 年 09 月 07 日 8:00 | 分類 奈米 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


影集《黑鏡》描述的未來世界,每個人耳後都有植入智慧晶片,儀器透過晶片就能讀取人記憶,可隨時播放、重播記憶畫面。

影劇的人體植入智慧晶片看似很遙遠,但已在現實世界見端倪。

今年5月哥倫比亞大學的科研團隊先後在《Science Advances》和IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM)等頂尖刊物和國際會議發表植入式晶片的研究成果,在微型化醫療儀器方面取得新進展。

團隊研發出僅塵埃大小的全整合植入式微型感測晶片,藉由超音波無線取得能量及傳輸數據,可監測生理學訊號。這稱為「世界最小的單晶片系統」創造類似生物晶片的最小尺寸紀錄。意味有可能透過針管注射將晶片植入人體,減輕移植過程的傷害。

▲ 晶片置於針頭,顯示微型尺寸和可注射性。(Source:Science Advances

這「世界最小的單晶片系統」究竟如何打造的呢?

「晶片即系統」做醫療儀器

施辰畢業於哥大電子工程系,師從生物電子學領域先驅Kenneth L. Shepard教授。「讀博期間,我和指導教授關注植入式醫療儀器領域。雖有不少儀器能在疾病診斷和治療發揮作用,但這些儀器體積偏大,即使最小醫療器械也只能做到米粒大小,往往透過手術植入人體,勢必造成一定程度創傷,因此我們希望藉由縮小醫療儀器的體積降低排異反應,實現無感化微創移植。」施辰談及決定進行研究的初衷時說。

植入式醫療設備經過一段時間發展形成多個分支,形成包括心血管、骨科、神經等多個細分賽道,既有替代人體器官的器械,又有疾病診斷用儀器。

「我們想探索植入式醫療儀器的尺寸極限。晶片即積體電路,將各種電路元件高度整合到微小的矽片上。我們在此基礎上,將通常獨立於晶片的感測器、換能器、分立的電路元件等部件進一步整合到晶片,成為完整的系統──「晶片即系統」,保證實現一定功能的情況下盡量減小體積。為了證明,我們選擇醫學檢測較常見的溫度測量。」

要注意的是,雖然體外測溫非常成熟,但有重要醫學意義的體內核心溫度測量依然不能輕易取得。歷經多年試驗與研究,團隊終於實現微型化醫療儀器的心願,感測晶片體積僅0.065立方公釐,使用針頭就能注入有機體,即時監測核心溫度。

▲ 晶片與一美分硬幣對比。

微型感測晶片主要由兩部分組成,一部分用作超音波換能器的壓電材料,可將音波轉化為電能,另一部分收集超音波能量和測量體溫的溫度感測器晶片。

施辰自行設計的溫度感測器晶片採用180奈米製程,由台積電試生產。拿到感測器晶片後,他再依據自研微製造製程,將一枚微型壓電材料直接整合在晶片表面,沒有使用任何外電路元件或銲線,做到「晶片即系統」概念和極小體積。

與傳統晶片不同,植入式晶片還需保證晶片與有機體和諧共存,還要為這顆小小單晶片系統封裝一層不會對有機體造成傷害的薄膜材料,才算完成的植入式晶片。

超音波實現無線供電和數據傳輸

這顆微型感測晶片又如何無線達成生理訊號監測?日常生活常見的無線供電和通訊基於電磁波射頻技術。不過電磁波波長較長,很難幫這麼小的晶片供電。

「由於音速遠小於光速,同樣頻率的超音波比電磁波波長小很多,更容易搭配這顆感測晶片的尺寸,因此我們選擇超音波無線傳輸能量和數據。同時一定能量範圍,超音波對人體無害。」施辰說。

目前超音波在醫療領域應用也很廣泛。

▲ 晶片置於雞肉內的超音波圖像,顯示如何藉超音波定位晶片。(Source:Science Advances

「當壓電材料接收到超音波能量時,表面會產生電荷,積累的電荷透過晶片整流電路和穩壓電路,從交流電轉變為穩定直流電,驅動整個溫度感測器。溫度感測器由振盪電路組成,我們藉由設計使溫度越高,震盪頻率越快;溫度越低,震盪頻率越慢。振盪電路輸出透過晶體管調製壓電材料的聲阻抗,使傳到壓電材料後反射回來的超音波的振幅發生一定變化,變化頻率就是溫度感測器的輸出頻率。藉由觀察反射波的振幅變化,就能取得溫度訊號,做到溫度數據的無線傳輸和監測。」

下一步:更微型的植入式晶片和更多元化的生理信號監測

雖然取得突破性進展,但施辰也坦言目依然還有很多改進的地方:

壓電材料具單向性,這意味如果晶片在有機體內旋轉,超音波無法垂直傳輸到晶片,能量轉換效率就會降低。

注射到有機體內很容易,但團隊尚未研究如何取出晶片。不過他們認為有兩條研究路徑,一是透過有機體正常的新陳代謝排出體外,二是晶片小到能被細胞吞噬。研究目前處於實驗室階段,且僅在小鼠體內試驗,不排除植入人體時會有新問題。

此晶片有更多可能性,長遠目標是更用微小體積測量更多生理訊號,包括pH值、血壓、血糖等。達成目標的過程還有很多問題需解決──如何找到效果更好的壓電材料減少超音波傳播過程的衰減的影響;如何進一步減小晶片體積,降低晶片功耗,讓晶片植入體內更深更小的地方。

「這些問題看起來互相制衡,但這就是研究的魅力。」

▲ 施辰展示研究成果。

施辰本科畢業於華盛頓大學,取得生物工程和電子工程雙學位。從小就對生物感興趣的他,選擇鑽研生物和電子交叉學科。哥倫比亞大學讀博期間,他還參與腦機介面和神經調節晶片等計畫。展望未來,他希望繼續在生物電子學領域深耕,開發出真正能臨床應用的微型醫療儀器,為病人提供更安全方便的生理學訊號的監測,和分析疾病的診斷和康復。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:Science Advances