人芯合一：五大高科技生物芯片助力医疗电子
发布时间：2012-12-25 15:12
发布者：wp1981
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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 |
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