A história da tecnologia implantável. MEMS

Os sistemas microeletromecânicos ( MEMS ) são uma classe de dispositivos e sistemas em miniatura feitos usando processos de microprocessamento. O principal critério para criar MEMS é o seu tamanho. Geralmente não excede 1 mm. As tecnologias MEMS são precursoras do campo tecnológico relativamente mais popular, onde o tamanho dos dispositivos começa em 100 nanômetros.

O termo MEMS foi originalmente cunhado para se referir a sensores e atuadores em miniatura que atuam entre as áreas elétrica e mecânica do dispositivo. Gradualmente, o termo evoluiu junto com o próprio MEMS e abrangeu uma ampla gama de vários microdispositivos fabricados usando processamento micromecânico.

Da mesma forma, o termo “ sistemas microeletromecânicos biomédicos ” é usado para se referir à ciência e tecnologia da produção de microdispositivos para aplicações biológicas e médicas. Isso inclui sensores biomédicos, implantes, instrumentos microcirúrgicos e outros dispositivos.

A invenção do transistor de ponto por William Shockley , John Bardin e Walter Brattain em 1947 desencadeou a criação de MEMS. O primeiro transistor era do tamanho de 1,3 centímetros, muito maior que o atual. A tecnologia moderna permite criar transistores com um diâmetro de cerca de 1 nanômetro.



Em 1954, K.S. Smith descobriu e descreveu o efeito piezoresistivo - uma alteração na resistência elétrica de um semicondutor ou metal sob a influência de uma carga mecânica. Diferentemente do efeito piezoelétrico, o efeito piezoresistivo causa alterações apenas na resistência elétrica e não no potencial elétrico.

Como resultado das experiências, ficou claro que o silício e o germânio são mais sensíveis à pressão do ar ou da água do que os metais. Muitos dispositivos MEMS, como extensômetros, sensores de pressão e acelerômetros, usam o efeito piezoresistivo do silício.

A descoberta desse efeito em semicondutores foi o início da produção industrial de sensores de pressão baseados em silício. Em 1959, a Kulite foi a primeira a colocar sua produção em operação.

Ao criar transistores, os engenheiros enfrentaram limites de tamanho. Cada transistor teve que ser conectado ao restante dos eletrônicos. Surgiu então a necessidade de algo que pudesse acomodar transistores, resistores, capacitores e fios de conexão. Um desses substratos permitiria a criação de dispositivos em miniatura.

Então, em 1958, duas pessoas - Jack Kilby, da empresa americana Texas Instruments, e Robert Neuss, da Fairchild Semiconductor, independentes entre si - montaram um circuito integrado. O circuito de Kilby consistia em um transistor, três resistores e uma capacitância em um cristal de germânio - o chamado "circuito sólido". O esquema do ruído foi chamado de "unitário" e foi feito em um cristal de silício.


Esquema de Kilby

Em 1964, a Westinghouse Electric montou o primeiro MEMS serial. Em um dispositivo chamado transistor de porta ressonante, componentes mecânicos e eletrônicos foram montados. O transistor funcionava como uma espécie de filtro de frequência - passava sinais elétricos de uma certa faixa.

A primeira aplicação comercial do MEMS não demorou a chegar: nos anos 70, Kurt Peterson, do laboratório da IBM , montou um sensor de pressão micromecânico, usado em sensores de pressão arterial.

Em 1993, a Analog Devices se tornou o primeiro acelerômetro MEMS produzido em massa. A maioria deles foi usada na indústria automotiva, mas, ao longo dos anos, seu escopo se expandiu para sistemas de navegação autônomos, controladores de jogos e sistemas móveis e de computador.

Campos de aplicação da tecnologia MEMS

Nos primeiros anos de sua existência, a tecnologia MEMS foi revolucionária para muitos campos da ciência, incluindo mecânica, acústica, óptica e outros. Com o tempo, surgiram soluções e produtos exclusivos nos campos químico, biológico e médico. Os MEMS penetraram nos setores de eletrodomésticos e eletrônicos, automotivo, biomédico e aeroespacial.

Sensores de pressão

Os primeiros dispositivos microeletromecânicos usados ​​na década de 1980 na indústria biomédica são sensores reusáveis ​​de pressão arterial. Os modernos sensores de pressão MEMS medem a pressão intra-ocular, intracraniana e intra-uterina e também são utilizados durante a angioplastia.

Segundo a OMS, o glaucoma é a segunda causa mais comum de cegueira após a catarata. Sensores de pressão implantáveis ​​permitem o monitoramento contínuo da pressão intra-ocular em pacientes com glaucoma. Em um olho saudável, a pressão é mantida na faixa de 10 a 22 mmHg. Pressão anormalmente alta (> 22 mm) e suas flutuações são consideradas os principais fatores de risco para o desenvolvimento de glaucoma.

Essa doença geralmente ocorre sem sintomas visíveis e dor, mas pode levar a danos irreversíveis e incuráveis ​​no nervo óptico. Sem tratamento oportuno, a visão periférica sofre e às vezes ocorre cegueira completa.

Um dos sensores que medem a PIO é mostrado abaixo. É uma lente de contato descartável com um elemento do sensor de pressão MEMS. O sensor inclui um loop de antena (anel de ouro), um microprocessador para fins especiais - um chip de 2x2 mm e medidores de tensão para medir a curvatura da córnea em resposta a mudanças na pressão intra-ocular. O loop da antena recebe energia de um sistema de monitoramento externo e transfere as informações de volta para o sistema.

Sensores inerciais

Os acelerômetros MEMS são usados ​​em desfibriladores e marca-passos. Pacientes que sofrem de palpitações caóticas ou rápidas são frequentemente os que apresentam maior risco de insuficiência cardíaca ou ataque cardíaco.



Um marcapasso suporta um batimento cardíaco normal, transmitindo impulsos elétricos ao coração. Os dispositivos modernos usam acelerômetros MEMS que ajustam a frequência cardíaca de acordo com a atividade física do paciente.

Além disso, sensores inerciais MEMS - acelerômetros e giroscópios - foram usados ​​para desenvolver uma das cadeiras de rodas mais incomuns do iBOT Mobility System. A combinação de vários sensores permite ao usuário controlar a cadeira de rodas e ajustar a altura do assento, forçando o carrinho a se equilibrar sobre duas rodas. Assim, uma pessoa em cadeira de rodas pode interagir com outras pessoas cara a cara.

Transdutores de medição

Os transdutores encontraram sua aplicação em aparelhos auditivos. Esses dispositivos eletroacústicos são usados ​​para receber, amplificar e direcionar o som para o ouvido. Assim, os aparelhos auditivos compensam a perda auditiva e tornam os sinais de áudio mais visíveis para o usuário.

Segundo as estatísticas, 80% das pessoas com perda auditiva parcial ou completa não instalam aparelhos auditivos. Os motivos costumam ser relutantes em reconhecer a perda auditiva e os estereótipos sociais associados a conceitos errôneos sobre o uso de aparelhos auditivos. Após esses dados, muitos fabricantes estão investindo energia e dinheiro em dispositivos de miniaturização, que ao mesmo tempo não comprometem o desempenho.



As tecnologias MEMS podem reduzir o fator de forma, o custo e o consumo de energia em comparação com as soluções tradicionais. Por exemplo, os dispositivos analógicos, cujo volume é de apenas 7,3 mm3, incluem um microfone MEMS, adequado como aparelho auditivo.

Sistemas micro-hidrodinâmicos

A micro-hidrodinâmica é um campo do conhecimento científico que examina o comportamento de pequenos volumes e fluxos de fluidos. Um sistema micro-hidrodinâmico típico consiste em: agulhas, canais, válvulas, bombas, misturadores, filtros, sensores e tanques.

Tais sistemas são frequentemente usados ​​para realizar exames médicos ao lado do paciente. Tais testes e análises desempenham um papel especial nos países em desenvolvimento, onde o acesso a hospitais é limitado e o tratamento é caro. Os sistemas micro-hidrodinâmicos de diagnóstico usam fluidos corporais (amostras de saliva, sangue ou urina) para pré-preparar a amostra para análise, detectar o componente desejado em uma amostra da substância e também para analisar dados e exibir os resultados. Um dos sistemas micro-hidrodinâmicos mais conhecidos e difundidos é o teste de gravidez.

Além disso, esses sistemas são usados ​​para fornecer medicamentos a um órgão humano específico. Assim, com a ajuda de microagulhas, é realizada a administração percutânea de medicamentos. Existem também sistemas de administração implantáveis ​​(bomba de insulina, stents com medicamentos) e diretamente sistemas de administração de medicamentos (micro e nanopartículas).

Para pacientes com diabetes em 2012, foi desenvolvido um sistema especial de administração de insulina, o JewelPUMP. A primeira versão foi instalada em um adesivo descartável para a pele e forneceu um suprimento contínuo de insulina ao corpo humano. Todo o sistema pesava apenas 25 gramas e continha até 5000 unidades de insulina, o que era suficiente por 7 dias sem reposição ou reposição adicional.

Agulhas micromecânicas

As modernas tecnologias de microprocessamento permitem a fabricação de agulhas menores que 300 mícrons, que é o limite dos métodos tradicionais de processamento. Normalmente, um microneedle MEMS tem menos de 1 mm de comprimento. Eles são usados ​​para administração de medicamentos, registro de sinais biomédicos, amostragem de fluidos, terapia de câncer e microdiálise.

Freqüentemente, essas microagulhas são integradas a um dispositivo e são usadas em combinação com sistemas de microcanais. Microagulhas sólidas e ocas são produzidas por microprocessamento de silício, vidro, metais e polímeros. Eles vêm em várias formas - do cilíndrico ao octogonal.


Microagulhas sólidas produzidas por gravação de íons reativos de silício.

Instrumentos microcirúrgicos

O procedimento cirúrgico minimamente invasivo é projetado para fornecer diagnóstico, monitoramento ou tratamento de doenças, realizando operações com incisões muito pequenas ou mesmo através de aberturas naturais no corpo humano. As vantagens dessa cirurgia em relação à cirurgia aberta tradicional são menos dor, dano mínimo ao tecido e número de cicatrizes, recuperação rápida após a cirurgia e, geralmente, menor custo para o paciente.

Os procedimentos gerais para cirurgia minimamente invasiva incluem angioplastia, cateterismo, endoscopia, laparoscopia e neurocirurgia. Os instrumentos microcirúrgicos baseados em MEMS são as tecnologias mais apropriadas em cirurgias minimamente invasivas.

Portanto, para realizar um procedimento de angioplastia projetado para restaurar o fluxo sanguíneo normal através de artérias bloqueadas, são utilizados stents cardíacos. Eles são introduzidos no vaso sanguíneo através de um cateter para expandir o vaso. Existem dois tipos principais de stents: stents de metal e polímero, que, por sua vez, são divididos em reabsorvíveis e não reabsorvíveis. Obviamente, os primeiros são mais atraentes porque podem se dissolver dentro do corpo depois de completarem sua missão.

Mais de 50 anos se passaram desde a primeira produção em massa de MEMS. Durante esse período, a tecnologia MEMS biomédica entrou firmemente em nossas vidas: com sua ajuda, tornou-se possível ajudar pessoas com deficiência, tratar doenças graves e realizar operações cirúrgicas seguras. A tecnologia continua a se desenvolver rapidamente graças à criação e descoberta de novos materiais, o que possibilita reduzir o tamanho dos MEMS e, assim, expandir o escopo de sua aplicação.