Die Geschichte der implantierbaren Technologie. MEMS

Mikroelektromechanische Systeme ( MEMS ) sind eine Klasse von Miniaturgeräten und -systemen, die unter Verwendung von Mikroprozessverfahren hergestellt werden. Das Hauptkriterium für die Erstellung von MEMS ist ihre Größe. Normalerweise überschreitet es 1 mm nicht. MEMS-Technologien sind ein Vorläufer des relativ populäreren Technologiefelds, in dem Gerätegrößen bei 100 Nanometern beginnen.

Der Begriff MEMS wurde ursprünglich geprägt, um sich auf Miniatursensoren und -aktoren zu beziehen, die zwischen den elektrischen und mechanischen Bereichen des Geräts wirken. Allmählich entwickelte sich der Begriff zusammen mit MEMS selbst und umfasste eine breite Palette verschiedener Mikrogeräte, die unter Verwendung mikromechanischer Verarbeitung hergestellt wurden.

In ähnlicher Weise bezieht sich der Begriff " biomedizinische mikroelektromechanische Systeme " auf die Wissenschaft und Technologie der Herstellung von Mikrogeräten für biologische und medizinische Anwendungen. Dazu gehören biomedizinische Sensoren, Implantate, mikrochirurgische Instrumente und andere Geräte.

Die Erfindung des Punkttransistors durch William Shockley , John Bardin und Walter Brattain im Jahr 1947 löste die Schaffung von MEMS aus. Der erste Transistor hatte eine Größe von 1,3 Zentimetern, was viel größer ist als die aktuellen. Mit moderner Technologie können Sie Transistoren mit einem Durchmesser von etwa 1 Nanometer herstellen.



Im Jahr 1954, K.S. Smith entdeckte und beschrieb den piezoresistiven Effekt - eine Änderung des elektrischen Widerstands eines Halbleiters oder Metalls unter dem Einfluss einer mechanischen Belastung. Im Gegensatz zum piezoelektrischen Effekt verursacht der piezoresistive Effekt nur Änderungen des elektrischen Widerstands und nicht des elektrischen Potentials.

Als Ergebnis der Experimente wurde klar, dass Silizium und Germanium gegenüber Luft- oder Wasserdruck empfindlicher sind als Metalle. Viele MEMS-Geräte wie Dehnungsmessstreifen, Drucksensoren und Beschleunigungsmesser nutzen den piezoresistiven Effekt in Silizium.

Die Entdeckung dieses Effekts in Halbleitern war der Beginn der industriellen Produktion von Drucksensoren auf Siliziumbasis. 1959 war Kulite der erste, der seine Produktion in Betrieb nahm.

Bei der Erstellung von Transistoren waren die Ingenieure mit Größenbeschränkungen konfrontiert. Jeder Transistor musste mit dem Rest der Elektronik verbunden werden. Dann entstand ein Bedarf an etwas, das Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und Verbindungsdrähte aufnehmen konnte. Ein solches Substrat würde die Schaffung von Miniaturvorrichtungen ermöglichen.

1958 bauten zwei Personen - Jack Kilby von der amerikanischen Firma Texas Instruments und Robert Neuss von Fairchild Semiconductor - unabhängig voneinander eine integrierte Schaltung zusammen. Kilbys Schaltung bestand aus einem Transistor, drei Widerständen und einer Kapazität auf einem Germaniumkristall - der sogenannten "festen Schaltung". Das Rauschschema wurde "einheitlich" genannt und auf einem Siliziumkristall hergestellt.


Kilby-Schema

1964 montierte Westinghouse Electric das erste serielle MEMS. In einer Vorrichtung, die als Resonanz-Gate-Transistor bezeichnet wird, wurden mechanische und elektronische Komponenten zusammengebaut. Der Transistor arbeitete als eine Art Frequenzfilter - er ließ elektrische Signale eines bestimmten Bereichs durch.

Die erste kommerzielle Anwendung von MEMS ließ nicht lange auf sich warten: In den 70er Jahren baute Kurt Peterson vom IBM- Labor einen mikromechanischen Drucksensor zusammen, der in Blutdrucksensoren verwendet wurde.

1993 wurden Analog Devices die ersten massenproduzierten MEMS-Beschleunigungsmesser. Die meisten von ihnen wurden in der Automobilindustrie eingesetzt, aber im Laufe der Jahre hat sich ihr Anwendungsbereich auf autonome Navigationssysteme, Gamecontroller sowie mobile und Computersysteme ausgeweitet.

Anwendungsgebiete der MEMS-Technologie

In den ersten Jahren ihres Bestehens war die MEMS-Technologie für viele Bereiche der Wissenschaft revolutionär, einschließlich Mechanik, Akustik, Optik und andere. Im Laufe der Zeit erschienen einzigartige Lösungen und Produkte im chemischen, biologischen und medizinischen Bereich. MEMS drang in die Haushaltsgeräte- und Elektronik-, Automobil-, Biomedizin- und Luftfahrtindustrie ein.

Drucksensoren

Die ersten mikroelektromechanischen Geräte, die in den 1980er Jahren in der biomedizinischen Industrie eingesetzt wurden, sind wiederverwendbare Blutdrucksensoren. Moderne MEMS-Drucksensoren messen den intraokularen, intrakraniellen und intrauterinen Druck und werden auch während der Angioplastie eingesetzt.

Nach Angaben der WHO ist das Glaukom nach Katarakten die zweithäufigste Erblindungsursache. Implantierbare Drucksensoren ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Augeninnendrucks bei Patienten mit Glaukom. Bei einem gesunden Auge wird der Druck im Bereich von 10 bis 22 mmHg gehalten. Ungewöhnlich hoher Druck (> 22 mm) und seine Schwankungen gelten als Hauptrisikofaktoren für die Entwicklung eines Glaukoms.

Diese Krankheit tritt häufig ohne erkennbare Symptome und Schmerzen auf, kann jedoch zu irreversiblen und unheilbaren Schäden am Sehnerv führen. Ohne rechtzeitige Behandlung leidet das periphere Sehen und manchmal tritt völlige Blindheit auf.

Einer der Sensoren, die den IOP messen, ist unten dargestellt. Es ist eine Einweg-Kontaktlinse mit einem Element des MEMS-Drucksensors. Der Sensor umfasst eine Antennenschleife (Goldring), einen speziellen Mikroprozessor - einen 2x2 mm-Chip - und Dehnungsmessstreifen zur Messung der Hornhautkrümmung als Reaktion auf Änderungen des Augeninnendrucks. Die Antennenschleife wird von einem externen Überwachungssystem mit Strom versorgt und überträgt Informationen zurück an das System.

Trägheitssensoren

MEMS-Beschleunigungsmesser werden in Defibrillatoren und Herzschrittmachern verwendet. Patienten mit schnellem oder chaotischem Herzklopfen haben häufig das höchste Risiko für Herzinsuffizienz oder Herzinfarkt.



Ein Herzschrittmacher unterstützt einen normalen Herzschlag, indem er elektrische Impulse an das Herz überträgt. Moderne Geräte verwenden MEMS-Beschleunigungsmesser, die die Herzfrequenz an die körperliche Aktivität des Patienten anpassen.

Darüber hinaus wurden MEMS-Trägheitssensoren - Beschleunigungsmesser und Gyroskope - verwendet, um einen der ungewöhnlichsten Rollstühle des iBOT Mobility System zu entwickeln. Die Kombination mehrerer Sensoren ermöglicht es dem Benutzer, den Rollstuhl zu steuern und die Sitzhöhe anzupassen, wodurch der Kinderwagen gezwungen wird, auf zwei Rädern zu balancieren. Auf diese Weise kann eine Person im Rollstuhl von Angesicht zu Angesicht mit anderen Personen interagieren.

Messwandler messen

Wandler haben ihre Anwendung in Hörgeräten gefunden. Diese elektroakustischen Geräte werden verwendet, um Schall zu empfangen, zu verstärken und in das Ohr zu leiten. So kompensieren Hörgeräte den Hörverlust und machen Audiosignale für den Benutzer besser sichtbar.

Laut Statistik installieren 80% der Menschen mit teilweisem oder vollständigem Hörverlust keine Hörgeräte. Die Gründe sind oft die Zurückhaltung, Hörverlust und soziale Stereotypen zu erkennen, die mit falschen Vorstellungen über das Tragen von Hörgeräten verbunden sind. Aufgrund dieser Daten investieren viele Hersteller Energie und Geld in Miniaturisierungsgeräte, was gleichzeitig die Leistung nicht beeinträchtigte.



MEMS-Technologien können den Formfaktor, die Kosten und den Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduzieren. So enthalten beispielsweise analoge Geräte mit einem Volumen von nur 7,3 mm3 ein MEMS-Mikrofon, das als Hörgerät geeignet ist.

Mikrohydrodynamische Systeme

Die Mikrohydrodynamik ist ein wissenschaftliches Gebiet, das das Verhalten kleiner Volumina und Flüssigkeitsströme untersucht. Ein typisches mikrohydrodynamisches System besteht aus: Nadeln, Kanälen, Ventilen, Pumpen, Mischern, Filtern, Sensoren und Tanks.

Solche Systeme werden häufig verwendet, um medizinische Tests am Krankenbett des Patienten durchzuführen. Solche Tests und Analysen spielen eine besondere Rolle in Entwicklungsländern, in denen der Zugang zu Krankenhäusern begrenzt und die Behandlung teuer ist. Mikrohydrodynamische Diagnosesysteme verwenden Körperflüssigkeiten (Speichel-, Blut- oder Urinproben), um die Probe für die Analyse vorzubereiten, die gewünschte Komponente in einer Substanzprobe zu erfassen sowie Daten zu analysieren und die Ergebnisse anzuzeigen. Eines der bekanntesten und am weitesten verbreiteten mikrohydrodynamischen Systeme ist ein Schwangerschaftstest.

Darüber hinaus werden diese Systeme verwendet, um Arzneimittel an ein bestimmtes menschliches Organ abzugeben. Mit Hilfe von Mikronadeln wird also eine perkutane Arzneimittelabgabe durchgeführt. Es gibt auch implantierbare Abgabesysteme (Insulinpumpe, Stents mit Arzneimitteln) und direkt Arzneimittelabgabesysteme (Mikro- und Nanopartikel).

Für Patienten mit Diabetes wurde 2012 ein spezielles Insulinabgabesystem, JewelPUMP, entwickelt. Die erste Version wurde auf einem Einweg-Hautpflaster installiert und versorgte den menschlichen Körper kontinuierlich mit Insulin. Das gesamte System wog nur 25 Gramm und enthielt bis zu 5000 Einheiten Insulin, was für 7 Tage ohne zusätzliche Nachfüllung oder Ersatz ausreichte.

Mikromechanische Nadeln

Moderne Mikroverarbeitungstechnologien ermöglichen die Herstellung von Nadeln mit einer Größe von weniger als 300 Mikrometern, was die Grenze traditioneller Verarbeitungsmethoden darstellt. Typischerweise ist eine MEMS-Mikronadel weniger als 1 mm lang. Sie werden zur Arzneimittelabgabe, biomedizinischen Signalaufzeichnung, Flüssigkeitsprobe, Krebstherapie und Mikrodialyse verwendet.

Oft sind solche Mikronadeln in eine Vorrichtung integriert und werden in Kombination mit Mikrokanalsystemen verwendet. Feste und hohle Mikronadeln werden durch Mikroverarbeitung aus Silizium, Glas, Metallen und Polymeren hergestellt. Sie kommen in verschiedenen Formen - von zylindrisch bis achteckig.


Feste Mikronadeln, hergestellt durch reaktives Ionenätzen von Silizium.

Mikrochirurgische Instrumente

Der minimalinvasive chirurgische Eingriff dient zur Diagnose, Überwachung oder Behandlung von Krankheiten durch Operationen mit sehr kleinen Schnitten oder sogar durch natürliche Öffnungen am menschlichen Körper. Die Vorteile einer solchen Operation gegenüber einer herkömmlichen offenen Operation sind weniger Schmerzen, minimale Gewebeschäden und die Anzahl der Narben, eine schnelle Genesung nach der Operation und häufig geringere Kosten für den Patienten.

Allgemeine Verfahren für die minimalinvasive Chirurgie umfassen Angioplastie, Katheterisierung, Endoskopie, Laparoskopie und Neurochirurgie. Mikrochirurgische Instrumente auf MEMS-Basis sind die am besten geeigneten Technologien in der minimalinvasiven Chirurgie.

Zur Durchführung einer Angioplastie zur Wiederherstellung des normalen Blutflusses durch verstopfte Arterien werden Herzstents verwendet. Sie werden durch einen Katheter in das Blutgefäß eingeführt, um das Gefäß zu erweitern. Es gibt zwei Haupttypen von Stents: Metall- und Polymerstents. Polymerstents werden wiederum in resorbierbare und nicht resorbierbare Stents unterteilt. Offensichtlich sind die ersteren attraktiver, weil sie sich nach Abschluss ihrer Mission im Körper auflösen können.

Mehr als 50 Jahre sind seit der ersten Massenproduktion von MEMS vergangen. In dieser Zeit ist die biomedizinische MEMS-Technologie fest in unserem Leben verankert: Mit ihrer Hilfe ist es möglich geworden, Menschen mit Behinderungen zu helfen, schwere Krankheiten zu behandeln und sichere Operationen durchzuführen. Die Technologie entwickelt sich dank der Schaffung und Entdeckung neuer Materialien rasant weiter, wodurch die Größe von MEMS reduziert und damit der Anwendungsbereich erweitert werden kann.