石墨烯電子文身：未來健康監測的無創革命

想象一下2040年的一個場票：一名思有糖尿病的早期階段而不自知。7的 12 歲男孩在咀嚼口香糖時，前臂上的臨時文身記錄了他血糖上升的情況，并將這一信息發送到他的手機上。同時，這個健康藍測文身的數據也會上傳至云端，這樣他的媽媽就能隨時關注他的狀況。

目前，這樣的電子文身還不存在，但世界各地的實驗室（包括我在馬薩諸塞大學阿默斯特分校的實驗室）都在致力于開發這一關鍵技術。這項技術潛力巨大：它可以幫助人們追蹤復雜的健康狀況，包括心血管疾病、代謝紊亂、免疫系統疾病和神經退行性疾病。近半數的美國成年人可能正處于其中一種或多種疾病的早期階段而不自知。

如果能在嚴重問題出現之前利用好早期篩查和健康監測技術，相關患者的治療結果將大幅提升。我們可以分析疾病的相關因素，如飲食、運動、環境暴露和心理狀況等，并對健康人群的生命體征和其所處環境的參數進行長期跟蹤和研究，以獲得大量的變革性數據。這些數據有助于實現更好的治療和預防效果。但要實現長達數年（而非數周或數月）的個體監測，唯一的途徑就是依靠工程方面的突破：開發出普通人愿意在日常生活中使用的平價傳感器。

這也是我的二維生物電子實驗室努力的方向。實驗室專注于研究石墨烯等原子級薄材料 一這些材料的特性使其成為先進、無創生物監測設備的理想選擇。目前，實驗室團隊正在開發可以輕松貼膚使用的GETs，用于化學或生理傳感。

表皮電子學的興起

這種即用即貼式傳感器的想法源于美國西北大學約翰·羅杰斯（JohnRogers）團隊的開創性工作。他們將尖端硅芯片、傳感器、發光二極管（LED）、天線和換能器嵌入薄薄的表皮貼片中，旨在監測多種健康指標。羅杰斯最著名的發明之一就是專為重癥監護室的新生兒設計的一套無線粘貼式傳感器，這些傳感器讓護士和父母都能更方便地照顧那些嬰兒。

羅杰斯的可穿戴設備通常不到 毫米厚，對于許多醫療需求來說已經足夠薄了。但要制作一款人們愿意佩戴多年的貼片，還需要更薄、更不顯眼的設計。

2017年，得克薩斯大學奧斯汀分校的德吉·阿金萬德（DejiAkinwande）教授和魯南姝教授發明了厚度僅為500納米的GETs。其使用方法就像孩子們玩的臨時文身貼一樣：只需將一張紙弄濕，就能將基于聚合物的石墨烯電子文身轉移到皮膚上。

石墨烯是一種由單層碳原子構成的神奇材料。它具有導電性極佳、透明、輕質、高強度、韌性好的特點。當用于電子文身時，使用者甚至感覺不到它在皮膚上。這種文身大約只有人類頭發直徑的 1% 。它們柔軟且有彈性，能夠完美貼合人體皮膚紋理。

當阿金萬德和魯于2017年創造出第一批GETs時，我剛在德國研究機構一于利希研究中心一完成生物電子學博士學位的學習。隨后，我加入了阿金萬德的實驗室開展GETs相關研究，最近，又在自己位于馬薩諸塞大學阿默斯特分校的實驗室繼續這項工作。我和合作者們在提超薄石墨烯文身柔軟且有彈性，能完美貼合人體皮膚紋理

高GETs性能方面取得了重大進展，也一直在推動這項技術繼續向前發展。

用于心臟疾病監測的GETs

世界衛生組織（WHO）數據顯示，心血管疾病是全球頭號死因，其誘因包括飲食、生活方式和環境污染等。長期追蹤人們的心臟活動（尤其是心率和血壓）是監測高危人群的直接手段。GETs在這方面可謂理想選擇。

測量心率較為簡單，因為當心肌去極化和復極化以產生每次心跳時，心臟組織會產生明顯的電信號。為了檢測這種電信號，我們在人的皮膚上貼了兩個GETs，要么貼在靠近心臟的胸部，要么貼在兩條手臂上。第三個文身貼在身體的其他部位，用作參考點。在所謂的“差分放大”過程中，放大器接收來自以上三個電極的信號，但忽略出現在參考電極和測量電極中的信號，只放大代表兩個測量電極之間差異的信號。這樣，我們就能將相關的心臟電活動從周圍的人體電生理噪聲中分離出來。

通過文身持續監測血壓要困難得多。我們與阿金萬德以及魯茲貝·賈法里（RoozbehJafari，現就職于麻省理工學院林肯實驗室）合作開展了這項工作。令人驚訝的是，如今醫生使用的血壓監測儀與一百年前醫生使用的設備并無顯著不同。雖然這種設備在醫生辦公室用起來效果很好，但它無法提供連續讀數，也無法在人活動時進行測量。在醫院，護士會在夜間叫醒病人測量血壓，而家用設備則要求使用者主動測量血壓水平。

我們開發出借助粘貼式GETs就可以持續、無感監測血壓的新系統。正如我們在2022年的一篇論文中所描述的，GETs并不直接測量壓力，而是測量“生物阻抗”。我們借助幾個GETs注入微電流（目前為50微安），電流穿過皮膚到達下方的動脈，位于動脈另一側的GETs則測量組織的阻抗。動脈內富含離子的血液導電性比周圍的脂肪和肌肉更好，因此動脈是注入電流的最低電阻路徑。當血液流經動脈時，其容量會隨著每

GETs可用于持續監測血壓。如上圖所示，貼在皮膚上的兩個GETs（黑色）作為注入電極，通過手臂傳送微弱電流。由于血液比組織的導電性好，電流會通過下方的動脈。另有四個充當傳感電極（灰色）的GETs測量“生物阻抗”，即身體對電流的阻力，它會隨著每次心跳時的動脈血流量變化而變化

次心跳而略有變化。這些變化會改變阻抗水平，由此我們才將其與血壓關聯起來。

為精確且微妙，電極位置偏移幾毫米（如腕帶輕微移動）就會使數據失效。GETs卻能確保電極在整個記錄過程中始終處于同一位置，這為數據的有效性提供了保障。

雖然生物阻抗與血壓之間存在明顯的相關性，但并非線性關系，這讓機器學習有了用武之地。為了訓練模型以理解這種相關性，我們進行了一系列實驗，用GETs實時監測實驗對象的生物阻抗，并用指套式設備監測他們的血壓。當實驗對象通過握力練習、冰水刺激等方式改變血壓時，我們也記錄了相關數據。

有了訓練有素的模型后，我們再次用GETs記錄了這些實驗對象的生物阻抗數據，然后基于數據計算出他們的收縮壓、舒張壓和平均血壓。我們對系統進行了超過5小時（時長是過往研究的10倍）的持續血壓監測測試，結果非常鼓舞人心：與傳統的血壓監測腕帶相比，GETs讀數更精準，也達到了電氣電子工程師學會（IEEE）無袖帶可穿戴血壓監測設備的最高精度標準。

在這些模型訓練實驗中，GETs發揮了不可替代的作用。雖然生物阻抗可以通過任何類型的電極進行記錄—帶有鋁電極陣列的腕帶就能完成這一任務—但（測量后我們發現）生物阻抗與血壓之間的相關性極個人的生物特征模式都是獨一無二的，生物阻抗與血壓之間的關系也因人而異。因此，目前我們必須為每個實驗對象重新校準系統。我們需要開發更好的數學分析方法，使機器學習模型能夠描述這些信號之間的一般關系。

心臟疾病層面的其他潛在應用

在美國心臟協會的支持下，我的實驗室目前正在探索石墨烯電子文身的另一種潛在應用：測量動脈僵硬度和動脈內的斑塊堆積情況。這兩者都是心血管疾病的風險因素。目前，醫生通常使用超聲波和磁共振成像（MRI）等診斷工具來檢查動脈僵硬度和斑塊，這些方法需要患者前往醫療機構，使用昂貴的設備，并依賴訓練有素的專業人員進行操作和解讀結果。

有了GETs，醫生可以輕松且快速地測量人體多個部位的指標，從而了解局部和整體的情況。由于GETs可以貼附于任何位置，因此我們可以借助其獲得現有工具難以觸及的主要動脈（如頸動脈）的測量數據。GETs還可以實時監測電信號。我們相信，通過機器學習，可以將生物阻抗測量與動脈僵硬度、斑塊堆積情況聯系起來一只需進行一系列定制化實驗并收集必要數據即可。

利用GETs進行這些測量也有助于研究人員更深入地探究動脈硬化、斑塊形成與高血壓之間的關系。通過在大規模的人群中長期追蹤這些數據，臨床醫生可以更好地理解重大心臟疾病的形成機制，這或許還能幫他們找到預防這些疾病的方法。

汗液中的健康密碼

與此同時，我的實驗室也在著手開發用于汗液生物傳感的石墨烯文身。人們出汗時，汗液會將鹽分和其他化合物帶到皮膚上，傳感器可以檢測到這些化合物，以判斷人體健康狀況。

我們用石墨烯作為晶體管，并通過添加抗體等特定分子來修飾石墨烯表面。這些分子被設計用于結合特定目標。當目標物質與抗體相互作用時，會產生可測量的電信號，從而改變石墨烯晶體管的電阻。這種電阻變化被轉換為讀數，提示目標分子的存在和濃度。

我們已經成功開發出能夠檢測食物毒素、測量鐵蛋白以及區分新冠病毒和流感病毒的獨立石墨烯生物傳感器。通過把這些看起來像芯片的獨立傳感器放置在桌面上，并將液體滴在上面進行實驗，我們試圖將這種晶體管傳感技術集成到可穿戴GETs中。這些文身會與汗液直接接觸。

我們還通過添加微孔來改進GETs，以便水分傳輸，這樣汗液就不會在GETs下積聚并干擾其功能。現在我們正在努力確保有足夠的汗液從汗腺流出并進入文身中，從而使目標物質能夠與石墨烯充分反應。

我們最初關注的是皮質醇，這是一種與壓力、中風和多種內分泌系統疾病有關的激素。未來，我們希望利用這種文身檢測汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸、雌激素和炎癥標志物等。

GETs的未來挑戰

要將我們的技術轉化為用戶友好型產品，仍有一些工程方面的挑戰需要克服。最重要的是，我們得弄清楚如何才能將這些智能電子文身集成到現有的電子網絡中。目前，我們只能將GETs連接到標準電子電路上，以提供電流、記錄信號并傳輸和處理信息。這意味著“佩戴”文身的人必須與一個微型計算芯片相連，然后該芯片再以無線方式傳輸數據。在未來的五到十年內，我們希望將電子文身與智能手表集成在一起。這種集成需要一種混合互連的技術，以便將柔性的石墨烯文身與智能手表的剛性電子元件連接起來。

從長遠來看，我認為二維石墨烯材料將用于完全集成的電子電路、電源和通信模塊。微電子巨頭，如比利時微電子研究中心（IMEC）和英特爾，已經在研究用二維材料替代硅來制作電子電路和節點。

也許20年后，我們就會擁有可以與人體軟組織融為一體的二維電子電路。屆時，嵌入皮膚中的電子設備能夠持續監測與健康相關的生物標志物，并通過靈敏且友好的顯示界面提供實時反饋。這一進展將為所有人提供一種便捷且無創的健康管理方式，有助于開啟人類自我認知的新時代。 0 資料來源IEEESpectrum本文作者德米特里·基列耶夫（DmitryKireev）是馬薩諸塞大學阿默斯特分校助理教授，專注于可穿戴與植入式生物電子設備、生物傳感器等領域的研究