Некоторые новые разработки микроэлектроники для применения в биомедицине

Некоторые новые разработки микроэлектроники для применения в биомедицине

Выпуск 19(6693) от 26 сентября 2019 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Одним из самых новых и перспективных направлений развития микроэлектроники для биомедицины может стать технологический процесс 3D-печати миниатюрных актюаторов с высокой разрешающей способностью. Разработки ученых из Сингапурского университета технологии и дизайна, Южного научно-технологического университета и Чжэцзянского университета прокладывают путь для 3D-печати миниатюрных мягких роботов со сложной геометрией и мультиматериальными конструкциями. А созданный учеными из Университета Эмори и Технологического института Джорджии эластичный беспроводной датчик может контролировать заживление церебральных аневризм.


Разработка технологического процесса 3D-печати миниатюрных актюаторов с высоким разрешением

Мягкие роботы представляют собой класс роботизированных систем, изготовленных из совместимых с человеческими тканями материалов и способных безопасно адаптироваться к сложным средам. В последнее время они быстро развиваются и выпускаются в различных вариантах, размерами от метров до субмикрон. В частности, практический интерес представляют мягкие роботы миллиметрового размера, которые могут быть сконструированы как комбинация миниатюрных актюаторов, приводимых в действие давлением, и хорошо подходят для навигации в замкнутых пространствах и манипулирования небольшими объектами.

Однако уменьшение этих мягких роботов до миллиметров приводит к тому, что их элементы становятся еще более миниатюрными, уменьшаясь иногда более чем на порядок. Сложность конструкций роботов требует большой аккуратности при изготовлении с использованием традиционных процессов, таких как прессование и мягкая литография. Хотя новые технологии 3D-печати, в частности цифровая обработка светового сигнала (digital light processing, DLP), в теории обеспечивают высокое разрешение, работа с микропузырьковыми пустотами и каналами без засорения все еще остается сложной задачей. Удачные примеры 3D-печати миниатюрных мягких пневматических роботов встречаются редко.

Недавно исследователи из Сингапурского университета технологии и проектирования (SUTD) совместно с учеными Южного научно-технологического университета (SUSTech, г. Шэньчжэнь, КНР) и Чжэцзянского университета (ZJU, КНР), предложили процесс для управления DLP‑3D-печатью миниатюрной пневматики исполнительных механизмов мягких роботов с общим размером 2–15 мм и размером элементов конструкции порядка 150–350 мкм (см. рисунок).

Разработчики сообщили, что воспользовались высокой эффективностью и разрешением DLP‑3D-печати для изготовления миниатюрных мягких актюаторов. Чтобы обеспечить надежную точность печати и соблюдение механических характеристик изделий, они использовали новую парадигму эффективного подбора состава материала и основных параметров обработки.

В 3D-печати DLP-фотопоглотители обычно добавляются в полимерные растворы для повышения разрешающей способности печати как в боковом, так и в вертикальном направлении. Между тем чрезмерное увеличение дозы приводит к быстрому ухудшению эластичности материала, что крайне нежелательно для мягких роботов, работающих в условиях больших деформаций.

Для достижения разумного компромисса сначала выбрали фотопоглотитель с хорошей абсорбцией на длине волны проецируемого ультрафиолетового излучения и определили подходящую рецептуру материала на основе испытаний на механические характеристики. Затем оценили глубину отверждения и точность формирования изделий по осям X и Y, чтобы определить подходящую комбинацию времени выдержки и толщины обрабатываемого слоя.

Следуя этому технологическому процессу, можно производить ассортимент миниатюрных мягких пневматических роботизированных актюаторов с различными структурами из нескольких материалов. Та же методика совместима с коммерческими установками стереолитографии (SLA) – ​никаких изменений в оборудовании не требуется.

Чтобы проиллюстрировать потенциальные возможности применения, исследователи также разработали средство для удаления мягкого мусора, включающее в себя пространственный манипулятор и миниатюрный мягкий пневматический захват 3D-типа. Это средство может перемещаться по замкнутому пространству и собирать мелкие предметы в труднодоступных местах.

Предложенный подход открывает путь для 3D-печати миниатюрных мягких роботов со сложной геометрией. Интеграция мягких пневматических актюаторов в роботизированную систему открывает возможности для таких потенциальных применений, как техническое обслуживание реактивных двигателей и малоинвазивная хирургия [1].


Эластичный беспроводной датчик для контроля заживления церебральных аневризм

Беспроводной датчик, достаточно маленький для того, чтобы его можно было имплантировать в кровеносные сосуды человеческого мозга, может помочь врачам оценить заживление аневризм – ​формирований, способных в случае разрыва привести к смерти или серьезным травмам. Растягивающийся датчик, работающий без батареек, будет оборачиваться вокруг стентов или отводящих систем, имплантированных для контроля кровотока в сосудах, пораженных аневризмой.

Чтобы снизить затраты и ускорить производство, при изготовлении растягиваемых датчиков используется 3D-печать в аэрозольной струе для создания структур из проводящего серебра на эластомерных подложках. Технология аддитивного трехмерного производства позволяет производить очень маленькие электронные элементы за один этап, без использования традиционных сложных процессов литографии в чистом помещении. Прибор, разработанный учеными из Университета Эмори и Технологического института Джорджии (оба – ​г. Атланта, шт. Джорджия, США), считается первой демонстрацией 3D-печати в аэрозольной струе.

Новый датчик может быть легко интегрирован в существующие медицинские стенты или отводящие системы, которые врачи в США уже используют для лечения аневризм. Можно использовать его для измерения кровотока, поступающего в кисту аневризмы, с целью определить, насколько хорошо аневризма заживает, и при необходимости предупредить врачей об изменении кровотока. Датчик, вставляемый с помощью катетерной системы, будет использовать индуктивную связь, обеспечивающую беспроводное обнаружение биомиметической гемодинамики аневризмы головного мозга.

Мониторинг развития аневризмы головного мозга сегодня требует повторной ангиограммы с использованием контрастных материалов, которые могут обладать вредными побочными эффектами. Из-за стоимости и потенциальных негативных последствий применение метода визуализации ограничено. Датчик, размещенный в кровеносном сосуде, дает возможность проводить более частые оценки. Пациенты и врачи смогут вовремя узнать об окклюдировании аневризмы, не прибегая к использованию инструментов визуализации. Точность измерения кровотока позволяет обнаружить изменения порядка 0,05 м/с.

Шестиступенчатый датчик изготовлен из биосовместимого полиимида, двух отдельных слоев сетчатого рисунка, изготовленных из наночастиц серебра, слоя диэлектрика и мягкого корпусирующего полимерного материала. Он оборачивается вокруг стента или отклонителя потока диаметром менее 2–3 мм – ​чтобы они подходили к кровеносным сосудам.

Датчик представляет собой катушку, улавливающую электромагнитную энергию, передаваемую от другой катушки, расположенной вне тела. Кровь, текущая через имплантированный датчик, изменяет свои электрические параметры, а соответственно, и проходящие через датчик сигналы. В лабораторных условиях были измерены изменения емкости в шести сантиметрах от датчика, вживленного в плоть, имитирующую мозговую ткань.

Скорость потока действительно хорошо коррелирует с изменением емкости, которое нужно измерить. Чтобы датчик мог реагировать на небольшие изменения кровотока, он сделан очень тонким и деформируемым.

3D-печать позволяет контролировать ее скорость, ширину и количество распыляемого материала. Параметры оптимизируются для каждого материала. Кроме того, можно использовать материалы, имеющие широкий диапазон вязкости. Поскольку такие датчики без проблем изготавливаются за один этап без дорогостоящих чистых помещений, их можно производить в больших объемах и с меньшими затратами.

На следующих этапах исследований будут разработаны датчики аневризмы, которые смогут измерять кровяное давление в сосуде наряду с расходом крови. Можно будет оценить, как давление влияет на изменение скорости потока. Это позволило бы использовать устройство для других применений, таких как измерение внутричерепного давления [2].


Внедрение интеллектуальных технологий в биомедицине

22–24 октября 2019 г. в г. Коронадо, шт. Калифорния, США, состоится Исполнительный конгресс Ассоциации MEMS и датчиков (MEMS & Sensors Executive Congress, MSEC). В нем примут участие руководители основных производителей MEMS и датчиков и всей цепочки их поставок. Цель – ​ознакомиться с последними разработками, способствующими широкому внедрению этих интеллектуальных устройств, поддерживающих более персонализированный пользовательский опыт в области биомедицины, здравоохранения, поставок продуктов питания и Интернета вещей.

Согласно данным исследовательской фирмы Yole Développement (г. Лион, Франция), к 2024 г. производители планируют внедрить более 50 млрд MEMS и датчиков в тысячи приложений для удовлетворения нужд потребителей в большей интеллектуальности и интерактивности электронных продуктов. Докладчики на MSEC рассмотрят роль MEMS и датчиков в различных интеллектуальных применениях.

Ожидается, что на MSEC будут представлены совершенно новые разработки, в том числе в области биомедицинских технологий [3].


Davis Shannon. Researchers Develop Process Flow for High-Res 3D Printing of Mini Soft Robotic Actuators. Semiconductor Daily Digest, August 29, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/08/29/researchers-develop-process-flow-for-high-res‑3d-printing-of-mini-soft-robotic-actuators/

Davis Shannon. Stretchable Wireless Sensor Could Monitor Healing of Cerebral Aneurysms. Semiconductor Daily Digest, August 29, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/08/29/stretchable-wireless-sensor-could-monitor-healing-of-cerebral-aneurysms/

Davis Shannon. MEMS and Sensors Tap AI, Blockchain, Machine Learning to Boost Personalization in Biomedical, Food Supply, Io T. Semiconductor Daily Digest, September 4, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/09/04/mems-and-sensors-tap-ai-blockchain-machine-learning-to-boost-personalization-in-biomedical-food-supply-iot/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ