人芯合一:五大高科技生物芯片助力医疗电子

2012年12月25日 15:12    发布者:wp1981
作者: Rick Merritt

在近日于旧金山举行的国际电子元件大会(IEDM)上,美国伊利诺大学(University of Illinois)材料科学暨工程系教授John A. Rogers发表专题演说指出,研究人员正在开发对人类皮肤与器官组织更友善、更具柔软性的芯片,为医疗电子开启新应用,但相关工作仍在初期阶段。

以下展示的几张图片是目前正在进展中的研发工作,包括可帮助伤口愈合、然后自然分解的芯片;能像小朋友玩的纹身贴纸那样贴上或是去除的生物显示器(Bio monitors);用来包裹脑部的主动箔(Active foils)。

适合新生儿使用的、较不具侵入性的生物监测设备

Rogers展示了一种像是纹身贴纸的生物监测设备,能替代较具侵入性的感测设备,应用在早产婴儿身上(如下图):“我们希望能在未来使用这种设备,且已经开发出许多原型,但仍有一些技术上的挑战。”



能愈合伤口的可分解IC

目前的生物芯片开发成果中,最让人印象深刻的案例之一,是在任务完成之后就能在人体内自动分解的芯片(如下图);这种芯片的任务是加热伤口缝合处周围的皮肤,以杀死可能导致感染的细菌。细菌感染是让病者再次进医院的首要原因之一。


能愈合伤口的可分解IC

“这种设备只需要运作一至两周,就会自动消失;这免除了在芯片之长期生物兼容性(bio-compatibility)方面的挑战。”Roger指出,这种芯片是五种水溶性材料的结合,而且具备“合理的高性能”;目前还有数字成像器(imager)与其他水溶性芯片正在进行动物实验。

可分解IC的结构

“你能用那种完全水溶性成像阵列来拍照;”Roger还在演讲台上亲自示范将一颗RF振荡器吞下肚,开玩笑地说:“这是好东西,我得说吃起来像鸡肉一样。”



像纹身贴纸一样的芯片

如前面所提到的,研究人员现在开发出一种能监测人体脉搏、脑波的芯片原型,就像纹身贴纸一样,能轻易地贴在皮肤上或去除。这种设备内含完整的监测电路,包括应变计(strain gauges)、光电二极管(photo diodes)、RF天线,以及能启动该设备的电感线圈(inductive coils)、并非只是简单的电极。


像纹身贴纸一样的生物监测设备

老化角质样被脱落?挤捏都正常运作

Roger展示了一段纹身贴纸芯片视频,该种设备采用柔软的塑胶载体,能贴在皮肤上然后用水洗掉;这种设备在皮肤被挤捏的时候还是能正常运作,然后像老化角质那样被脱落。据了解,有部分新创公司正在为这种芯片寻找新应用,例如做为人体机器界面,用来撷取语音指令或是追踪手部动作。


无论如何挤捏都能正常运作的纹身贴纸芯片

蛇形生物晶体管


纹身贴纸芯片上的蛇形晶体管

其实纹身贴纸芯片上的图案是一种设计独特的、印刷在聚合物薄片(polymer sheets)上的蛇形晶体管(如上图);该种设计是让芯片能承受皮肤揉捏挤压的主要原因。下图是Roger在演讲台上用小型USB显微镜展示他手臂上的纹身贴纸芯片。


在演讲台上用小型USB显微镜展示手臂上的纹身贴纸芯片

包裹脑部的软性金属箔

过去二十年来,研究人员是使用微型针头(micro-needles)来监测人脑并与之互动;这种技术虽然有用,但Roger形容:“那就像是将玻璃碎片散布在一碗果冻里,在植入设备的程序中会破坏组织,并可能会产生机械不协调,以至于在界面产生永久性的刺激。”


能与生物组织结合的电子设备

现在研究人员正试图将超薄硅晶层与塑胶、金属箔、类橡胶材料结合,形成与脑部形状贴合的设备(如上图);Roger表示,这种设备有部分会用到像是手风琴音箱那样的预施应力(pre-strained)材料。下图展示了该种软性电子设备已经运用在监测猫脑部组织的实验中。


已经运用在猫脑部监测实验的软性电子设备