全球最小的无线器件,用于生物体内神经光刺激

新技术 2018年04月27日

日本奈良先端科学技术大学院大学先端科学技术研究科物质创成科学领域的德田崇副教授等人组成的研发小组,开发出了全球最小的无线器件,可用于在生物体内对神经进行光刺激。

<研究内容>

德田副教授的研发小组认为,要想使该器件实现1mm级的超小型化,采用基于光伏电池的光电力传输方式更合理,而不是电磁波方式。因为光伏电池具有即使面积减小,电压也不会改变,只有电流会变小的特性(图1b)。蓝光和绿光会被生物体强烈吸收,而波长更长的红光和近红外光(波长约为0.8~1.1μm)如果保持数mm~数cm左右的距离,就能射入生物体内,所以可用来为植入型光刺激器件传输能源。本次研究中,研究人员认为,即使是非常小的光伏电池,如果其储存好足够的能源,就能驱动用于进行光刺激的蓝色发光二极管。

具体方法如下。首先在利用普通集成电路技术Si CMOS技术制造的1.25mm见方、0.15mm厚的芯片上,集成17个具备发电能力的超小型片上光伏电池以及用于电压监控和LED控制的电路(图2)。然后对采用通用技术制造的CMOS芯片实施自主开发的加工处理追加工艺,然后组合高性能的电容器芯片和蓝色LED芯片,由此实现图3所示的支持生物体植入的无线型光刺激器件。向图2中的器件照射红外光,经过0.1~数秒左右的充电时间,在充分存储能源后可以获得蓝色光(图4)。

<参考图>

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图1:(a)电磁波电力传输(天线线圈)和(b)光电力传输(光伏电池)在超小型化方面的差异

利用电磁波的电力传输通过天线线圈接收能源,如果推进超小型化,“电压”和“电流”都会变小。而利用光伏电池的话,“电压”保持不变,只有“电流”会变小。在体积削减至非常小的情况下,光伏电池方式无需补偿失去的电压(加强电波或追加电路),能减少电力浪费,通过简单的结构就能发出蓝光。

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图2:片上光伏电池集成型CMOS光受电与LED驱动芯片

在1.25mm×1.25mm的Si CMOS集成电路上配备了17个片上光伏电池和监控电压、控制LED驱动的控制电路。利用该芯片将红外光转换成电能,将电力存储在外部电容器中。存储足够的电力后向LED供电,获得蓝光。

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图3:此次实现的无线型光刺激器件的(a)结构和(b)照片

集成图2的芯片和1个电容器、1个蓝色LED,实现了可以植入生物体内的光刺激器件。体积约为1mm3,重量为2.3mg,为目前全球最小的生物体植入型无线光刺激器件。图3(b)是放在1美分硬币(厚度为1.55mm)的侧边拍摄的照片。

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图4:无线型光刺激器件工作时的样子

图3中的器件工作时的样子。器件被放置于载玻片中央,用载玻片下方的红外线手电筒发出的红外光进行照射。红外线被光伏电池转换为电力,每次存够所需的能源就自动驱动蓝色LED进行光刺激。在发布在线论文的杂志网站上有关于该光刺激器件工作状态的视频。

文 客观日本编辑部

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