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细胞内芯片无线充电术带来全新的药物研发趋势

作者: every 2014-06-11 08:00

细胞内芯片无线充电术的成功,也许意味着人们将会服用“电药”而不仅仅是化学药,这些极其微小的医疗器件将会作为心脏起搏器、脑部刺激器、吞服式内窥镜而存在。制药企业未来的竞争对手将不再是化学或基因药,更有可能是那些医疗器械的厂商。


人体细胞内芯片


随着芯片工艺进入纳米级,芯片应用到新的领域,例如人体细胞观察的生物医疗领域一直是一个值得探索的方向。


人体细胞内芯片是目前一个较为新的领域,融合了模拟技术、无线技术、纳米制造技术和细胞内植入技术等。个体细胞的研究在生物医学中有非常重要的意义。许多生物过程发生在细胞内,并且这些过程在不同的细胞内是不一样的。比细胞更小的微米和纳米元件的发展将有助于在单细胞层面上了解细胞机器,利用这些装置,可对细胞的机械的、生物化学的、电化学的和各种热过程进行研究。


一个典型的人体细胞,其大小约为10平方微米,这意味着一个细胞可以植入数百个今天最小的晶体管。如果目前晶体管小型化的速度能继续保持,到2020年一个细胞可植入大约2.500个晶体管,这相当于第一代个人电脑的微处理器。数年前,西班牙的研究员已经证明小于细胞的硅芯片能够被制造、收集,并以不同的技术(脂质体转染、吞噬或显微注射)植入到活细胞内


为芯片充电


仅仅四年后,斯坦福大学电子工程系的亚裔助理教授Ada Poon取得了细胞内无线芯片无线充电符合安全兼容性实验室的验证报告,这种 方法可以以无线方式向人体内传输电力,从而驱动植入体内的各种微型医疗器件,如心脏起搏器,或者是神经刺激器、植入式诊断传感器或局部药物递送工具,目前这些未能商业化的部分原因是尺寸太大。


这项成果的核心是融合近场电磁波的安全性以及远场电磁波的长距离传播性优点,Poon利用了一个简单的原理实现了这一目标——波在不同的介质中,如空气,水体或生物体组织中的传播速度是不同的。


根据这一指导思路,研究组设计了一种电源,其可以产生一种特殊的近场电磁波。当这一电磁波从空气向皮肤传播的时候,它会改变自身状态,以使其更利于传播,就像声波在铁轨中的传导一样。借助这项技术,我们可以安全地向体内植入的医疗器械传输电力,这些器械可能植入于心脏或脑部之中,这是现有的近场系统完全无能为力的。


目前,可在大约5公分以上的距离透过“中场”(mid-field)无线电源提供超过200微瓦的功率,模拟测试中输出功率保持在500mW,这和手机是一样的,远远超过当今起搏器所需的8mW功耗。


无限的未来


这项成果将有助于将那些复杂庞大的电池以及充电系统从植入型医疗器件中去除,从而开辟一条通往一种新型医学的道路,在这种新型医学中,医生们将更加依赖各种微型器械“电药”(electroceutical)来治疗疾病,而不是传统的药物。威廉·纽森(William Newsome)是美国斯坦福大学神经科学研究所主管,他认为这种治疗方案将会比传统药物更加有效,因为电子药物方法将会直接将特殊的微型器械植入到大脑的特定区域并发挥作用,而传统药物则会对整个大脑产生作用。


纽森认为,要想让电子药物实用化,这些植入器械必须进一步小型化,并且必须实现无线充电,它们可以被深深地植入大脑,距离大脑表层好几厘米。而Poon的研究解决了安全地进行无线充电的问题,让我们在这条道路上迈出了一大步。


Poon相信这项成果最终将会催生出新一代的可编程微型植入医疗器械——如可以监测关键性生理信号的的感受器;向大脑发送神经信号的电子激发器,以及可以直接将药物送至患病处的体内药物递送系统。


目前他们所开发的微型刺激器植入装置尺寸约2mm,大约是一颗米粒的大小,比目前由Medtronic与St. Jude Medical等公司开发约几公分大小的起搏器更小几个数量级。在未来的12个月内,Poon的研究团队将首次在人体内植入这种新式微型刺激器,并用于治疗外围神经疼痛的研究。


Ada Poon


AdaPoon2


Poon出生在香港,获得香港大学电子工程本科学位,2004年在加州大学伯克利分校获得博士学位,研究方向是信息理论与电磁理论。


职业生涯是从英特尔公司研究课重配置射频开始,还曾任职于SiBeam,该公司60GHz CMOS芯片先驱,为消费电子装置提供高解析的无线视讯。


2008年,她任职于斯坦福大学电机工程系。2010年她获得了美国国家科学基金会奖。


Poon本人拥有丰富的IC设计的经验,懂得无线和模拟的IC设计技术。她带领的团队,研究出了微米级的芯片(uTag in Cell),可植入到人体细胞内,通过(Maxwell方程)无线能量传输和通信技术,实现对人体内的特定细胞的观察和诊断。


对于Poon和她的研究小组而言,这项研究的有趣之处在于它所涵盖的范围是如此地广泛,从物理到医学,还同时开展数学研究与动物实验──这真的很令人振奋!

文章标签 医药前沿
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