这些石墨烯纹身其实是生物传感器 柔性贴片可监测血压、压力等信息

作者：Dmitry Kireev / 马萨诸塞大学阿默斯特分校

这种几乎看不见的石墨烯纹身可用于检测汗液中作为健康或疾病生物标志物的各种物质。Dmitry Kireev / 马萨诸塞大学阿默斯特分校

想象一下，现在是 2040 年，一个患有糖尿病的 12 岁孩子往嘴里塞了一块口香糖。他前臂上的临时纹身会记录他血液中糖分的上升，并将信息发送到他的手机上。这个健康监测纹身的数据也被上传到云端，这样他的妈妈就能随时了解他的情况。她也有自己的临时纹身，一个用于测量运动时汗液中的乳酸，另一个用于持续跟踪血压和心率。

目前，这种纹身还不存在，但世界各地的实验室，包括我在马萨诸塞大学阿默斯特分校的实验室，都在研究这项关键技术。这种技术的前景非常可观： 电子纹身可以帮助人们追踪复杂的医疗状况，包括心血管、代谢、免疫系统和神经退行性疾病。几乎一半的美国成年人现在可能正处于一种或多种疾病的早期阶段，尽管他们还不知道。

早在严重问题出现之前就能进行早期筛查和健康跟踪的技术将带来更好的结果。我们将能够研究与疾病有关的因素，如饮食、体育锻炼、环境暴露和心理状况。我们将能够进行长期研究，跟踪表面上健康的人的生命体征及其环境参数。这些数据可能会带来变革，带来更好的治疗和预防保健。但是，要对个人进行长达数周或数月甚至数年的监测，只有在工程技术上取得突破才能实现：普通人在日常生活中经常使用的、价格低廉的传感器。

在我的二维生物电子学实验室，我们研究石墨烯等原子薄材料。我相信，这些材料的特性使它们非常适合用于先进的、不显眼的生物监测器。我的团队正在开发石墨烯电子纹身，任何人都可以将其贴在皮肤上进行化学或生理生物传感。

电子皮肤的崛起

剥离和粘贴传感器的想法来自 John Rogers 及其美国西北大学团队的开创性工作。他们的 “表皮电子器件 ”将最先进的硅芯片、传感器、发光二极管、天线和传感器嵌入薄薄的表皮贴片中，用于监测各种健康因素。Rogers 最著名的发明之一是为重症监护室的新生儿设计了一套无线贴片传感器，使护士更容易照顾脆弱的婴儿，也使父母更容易拥抱他们。Rogers 的可穿戴设备通常不到一毫米厚，这对于许多医疗应用来说已经足够薄了。但是，要制造出人们愿意常年佩戴的贴片，我们需要一种更不显眼的东西。

为了寻找更薄的可穿戴传感器，德克萨斯大学奥斯汀分校的教授 Deji Akinwande 和 Nanshu Lu 于 2017 年创造了石墨烯电子纹身（GETs）。他们的首批石墨烯电子纹身厚度约为 500 纳米，就像孩子们身上俏皮的临时纹身一样： 使用者只需将一张纸打湿，就能将由聚合物支撑的石墨烯转移到皮肤上。

石墨烯是一种由单层碳原子组成的奇妙材料。它具有超强的导电性、透明性、轻质性、强度和柔韧性。在电子纹身中使用时，它是难以察觉的： 使用者甚至感觉不到它在皮肤上的存在。使用 1 原子厚石墨烯（与其他材料层结合）的纹身厚度约为头发丝的百分之一。它们柔软而有弹性，能完美贴合人体解剖结构，紧贴每一个凹槽和纹路。

超薄石墨烯纹身柔软而有弹性，能贴合皮肤的凹槽和脊线。DMITRY KIREEV / 德克萨斯大学奥斯汀分校

有些人误以为石墨烯不具有生物相容性，不能用于生物电子应用。十多年前，在石墨烯开发的早期阶段，一些初步报告发现石墨烯薄片对活细胞有毒，主要原因是其尺寸以及在制造某些类型的石墨烯时使用的化学掺杂。不过，从那时起，研究界就意识到至少有十几种功能不同的石墨烯形式，其中许多都没有毒性，包括氧化片、通过化学气相沉积生长的石墨烯和激光诱导石墨烯。例如，2024 年发表在《自然-纳米技术》上的一篇论文报告称，吸入氧化石墨烯纳米片不会产生毒性或不良影响。

我们知道，用于制作电子纹身的 1 原子厚的石墨烯薄片具有完全的生物相容性。这种石墨烯已被用于神经植入，没有任何毒性迹象，甚至可以促进神经细胞的增殖。我们已经在数十名受试者身上测试了基于石墨烯的纹身，他们没有出现任何副作用，甚至连轻微的皮肤过敏都没有。

当 Akinwande 和 Lu 在2017年创造出第一个GET时，我刚刚在德国研究机构Forschungszentrum Jülich完成了我的生物电子学博士学位。我加入了 Akinwande 的实验室，最近又在阿默斯特我自己的实验室继续这项工作。我和我的合作者在提高 GET 性能方面取得了实质性进展；2022 年，我们发布了 2.0 版报告，并继续推动这项技术向前发展。

治疗心脏病的电子纹身

根据世界卫生组织的数据，心血管疾病是导致全球死亡的主要原因，其致病因素包括饮食、生活方式和环境污染。长期跟踪人们的心脏活动，特别是他们的心率和血压，将是一种直截了当的方法，可以随时监控出现问题迹象的人。我们的电子纹身将是实现这一目的的理想选择。

测量心率是比较简单的工作，因为心脏组织在肌肉去极化和复极化时会产生明显的电信号，从而产生每次心跳。为了检测这种心电信号，我们在人的皮肤上放置一对 GET，可以是靠近心脏的胸部，也可以是两只手臂。第三个纹身被放置在其他地方，作为参考点。在所谓的差分放大过程中，放大器接收来自所有三个电极的信号，但忽略同时出现在参考电极和测量电极上的信号，只放大代表两个测量电极之间差值的信号。这样，我们就能从人体周围的电生理噪音中分离出相关的心电活动。我们一直在使用 OpenBCI 等公司提供的现成放大器，它们被封装在无线设备中。

通过纹身持续测量血压则要困难得多。我们与UT Austin 的 Akinwande 以及德州农工大学的 Roozbeh Jafari（现就职于麻省理工学院林肯实验室）合作，开始了这项工作。令人惊讶的是，今天医生使用的血压计与 100 年前医生使用的血压计并无明显区别。您几乎可以肯定自己曾经遇到过这样的设备。血压计使用一个袖带，通常放在上臂，袖带充气后对动脉施加压力，直到短暂停止血液流动，然后袖带慢慢放气。放气时，机器会记录心脏推动血液通过动脉时的跳动，并测量最高（收缩压）和最低（舒张压）压力。虽然袖带式血压计在医生办公室使用效果很好，但它无法提供连续读数，也无法在人移动时进行测量。在医院环境中，护士会在夜间叫醒病人测量血压，而家用设备则要求用户主动监测血压水平。

石墨烯电子纹身（GET）可用于持续血压监测。贴在皮肤上的两个 GET 就像注射电极一样（红色），通过手臂发出微弱的电流。由于血液的导电性优于组织，电流会通过下层动脉。四个 GET 充当传感电极 [蓝色]，测量生物阻抗–人体对电流的电阻–它随着每次心跳流经动脉的血量而变化。我们训练了一个机器学习模型，以了解生物阻抗读数与血压之间的相关性。

我们开发了一种新的系统，只需使用粘贴式 GET 即可连续、无干扰地测量血压。正如我们在 2022 年的一篇论文中所述，GET 并不直接测量压力。相反，它测量的是生物电阻抗–人体对电流的电阻。我们使用多个 GET 注入小振幅电流（目前为 50 微安培），电流通过皮肤到达下层动脉；然后，动脉另一侧的 GET 测量组织的阻抗。动脉内丰富的血液离子溶液是比周围脂肪和肌肉更好的导体，因此动脉是注入电流的最低阻抗路径。当血液流经动脉时，其体积会随着每次心跳发生轻微变化。这些血容量的变化会改变阻抗水平，然后我们将其与血压相关联。

虽然生物阻抗与血压之间存在明显的相关性，但这并不是一种线性关系–这就是机器学习的用武之地。为了训练一个模型来理解这种相关性，我们进行了一系列实验，同时用 GETs 仔细监测受试者的生物阻抗，并用指套装置监测他们的血压。我们在受试者进行手部握力练习、将手浸入冰水中以及完成其他改变血压的任务时记录数据。

在这些模型训练实验中，我们的石墨烯纹身功不可没。生物阻抗可以用任何一种电极进行记录–带有铝电极阵列的腕带就可以。然而，测得的生物阻抗与血压之间的相关性非常精确和微妙，电极只要移动几毫米（就像腕带稍微移动一下），数据就会失效。在整个记录过程中，我们的石墨烯纹身将电极保持在完全相同的位置。

有了训练有素的模型后，我们使用 GET 再次记录这些受试者的生物阻抗数据，然后从这些数据中得出他们的收缩压、舒张压和平均血压。我们对系统进行了测试，连续测量他们的血压超过 5 个小时，比之前的研究延长了 10 倍。测量结果令人鼓舞。与血压监测腕带相比，纹身产生的读数更准确，而且其性能符合电气和电子工程师学会（IEEE）关于可穿戴式无袖带血压监测仪标准中最高准确度等级的标准。

虽然我们对取得的进展感到满意，但仍有许多工作要做。每个人的生物测量模式都是独一无二的，一个人的生物阻抗和血压之间的关系也是独一无二的。因此，目前我们必须为每个受试者重新校准系统。我们需要开发更好的数学分析方法，使机器学习模型能够描述这些信号之间的一般关系。

跟踪其他心脏生物标志物

在美国心脏协会的支持下，我的实验室目前正在研究另一项前景广阔的 GET 应用：测量动脉僵化和动脉斑块积聚，这两者都是心血管疾病的危险因素。如今，医生通常使用超声波和核磁共振成像等诊断工具来检查动脉僵化和斑块，这就要求患者到医疗机构就诊，使用昂贵的设备，并依靠训练有素的专业人员进行操作和解读结果。

照片显示的是手掌朝上的前臂和手掌。在前臂的左侧和右侧，有一行六个小图形附着在皮肤上。 石墨烯纹身可用于连续测量人的生物阻抗，即人体对电流的电阻，这与人的血压相关。Dmitry Kireev / 德克萨斯大学奥斯汀分校和 Kaan Sel / 德克萨斯农工大学

有了 GET，医生就可以方便快捷地对身体的多个部位进行测量，从而获得局部和整体的视角。由于我们可以将纹身粘贴在任何地方，因此我们可以测量目前的工具难以触及的大动脉，如颈部的颈动脉。GET 还能提供极快的电测量读数。我们相信，我们可以利用机器学习将生物阻抗测量结果与动脉僵化和斑块联系起来–这只是进行一套量身定制的实验和收集必要数据的问题。

利用 GET 进行这些测量，研究人员就能更深入地研究动脉僵化和斑块堆积与高血压发展之间的关系。在大量人群中长期跟踪这些信息将有助于临床医生了解最终导致重大心脏疾病的问题，或许还能帮助他们找到预防这些疾病的方法。

您能从汗水中学到什么？

在另一个工作领域，我的实验室刚刚开始开发用于汗液生物传感的石墨烯纹身。当人们出汗时，汗液会将盐分和其他化合物带到皮肤上，传感器可以检测出健康或疾病的标志物。我们最初的研究重点是皮质醇，这是一种与压力、中风和多种内分泌系统疾病有关的激素。接下来，我们希望用我们的纹身来感知汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸、雌激素和炎症标志物。

一些实验室已经推出了用于汗液生物传感的被动或主动电子贴片。被动式系统使用一种化学指示剂，当它与汗液中的特定成分发生反应时会改变颜色。有源电化学装置通常使用三个电极，可以检测浓度范围很广的物质，并产生准确的数据，但它们需要笨重的电子设备、电池和信号处理装置。这两种贴片都使用笨重的微流体室来收集汗液。

在我们的汗液 GET 中，我们将石墨烯用作晶体管。我们在石墨烯表面添加某些分子（如抗体），对其进行修饰，这些分子旨在与特定目标结合。当目标物质与抗体相互作用时，就会产生可测量的电信号，从而改变石墨烯晶体管的电阻。这种电阻变化会转换成读数，显示目标分子的存在和浓度。

我们已经成功开发出独立的石墨烯生物传感器，可以检测食物毒素、测量铁蛋白（一种储存铁的蛋白质）以及区分 COVID-19 和流感病毒。这些独立传感器看起来像芯片，我们把它们放在桌面上，滴上液体进行实验。在美国国家科学基金会的支持下，我们正在将这种基于晶体管的传感方法集成到 GET 可穿戴生物传感器中，这种传感器可以贴在皮肤上，直接与汗液接触。

我们还对 GET 进行了改进，增加了微孔以实现水的传输，这样汗水就不会积聚在 GET 下而影响其功能。现在，我们正在努力确保有足够的汗液从汗腺导管进入纹身，以便目标物质能够与石墨烯发生反应。

石墨烯纹身的未来之路

要将我们的技术转化为用户友好型产品，还面临一些工程挑战。最重要的是，我们需要弄清楚如何将这些智能电子纹身集成到现有的电子网络中。目前，我们必须将 GET 与标准电子电路连接起来，以提供电流、记录信号、传输和处理信息。这意味着佩戴纹身的人必须与微小的计算芯片相连，然后通过无线方式传输数据。在未来五到十年内，我们希望将电子纹身与智能手表整合在一起。这种集成将需要一种混合互连技术，将柔性石墨烯纹身与智能手表的刚性电子元件连接起来。

从长远来看，我设想二维石墨烯材料将用于完全集成的电子电路、电源和通信模块。Imec和英特尔等微电子巨头已经在寻求用二维材料代替硅材料制造电子电路和节点。

也许 20 年后，我们就能拥有与人体软组织融为一体的二维电子电路。想象一下，嵌入皮肤的电子元件可以持续监测与健康相关的生物标志物，并通过微妙、用户友好的显示屏提供实时反馈。这一进步将为每个人提供一种便捷、无创的方式来了解和主动管理自己的健康，开启人类自我认知的新时代。

本文以 “石墨烯生物传感器纹身 ”为题刊登于 2025 年 3 月号印刷版。