石墨烯生物传感器文身贴

想象一下：现在是2040年，一名12岁的糖尿病患儿往嘴里扔了一片口香糖。他前臂上的临时文身贴检测到血糖上升，并将这一信息传送到他的手机。来自这一健康监测文身贴的数据还会同步上传至云端，方便他的妈妈随时查看。他妈妈本人身上也有这种临时文身贴，一个用于监测运动时汗液中的乳酸含量，另一个则持续追踪她的血压和心率。

目前，这种文身贴尚未问世，但全球多个实验室正在攻关这项关键技术，其中就有我所在的马萨诸塞大学阿默斯特分校的实验室。这种技术的优势相当显著：电子文身贴能帮助人们追踪复杂的病症，包括心血管疾病、代谢性疾病、免疫系统疾病和神经退行性疾病等。美国近半数成年人可能正处于前述一种或多种疾病的早期阶段，只是他们可能尚未察觉。

如果有技术能在严重病症显现前实现早期筛查和健康监测，将显著改善治疗效果。我们将能追踪疾病相关因素，例如饮食、运动、环境暴露和心理状况。我们还能开展长期研究，监测看起来健康的人群的生命体征参数及其所处环境参数。这些数据可能促成变革，推动更好的治疗方案和预防性护理的诞生。但要想实现持续数年（而非仅数周或数月）的个人监测，必须依靠制造工艺的突破，即普通人愿意在日常生活中常规使用的平价传感器。

研发这项技术正是推动我在2D生物电子实验室开展研究的动力。我们专注于石墨烯等原子级超薄材料的研究。我们认为，这些材料的特性使其特别适合开发人体无感的先进生物监测设备。我的团队正在开发石墨烯电子文身贴，任何人都能将这种文身贴粘在皮肤上，用来进行化学或生理指标的生物传感。

这种“即贴即用”传感器的创意源自美国西北大学的约翰·罗杰斯（John Rogers）教授及其团队的突破性研究。他们开发的“表皮电子设备”将尖端的硅芯片、传感器、发光二极管、天线和换能器集成到超级薄的表皮贴片中，用于监测多种健康指标。罗杰斯最著名的发明之一是为重症监护室中的新生儿设计的无线贴片式传感器，既能方便护士照料这些脆弱的婴儿，又能让父母更安心地拥抱孩子。罗杰斯团队的可穿戴设备通常厚度不足1毫米，对于许多医疗应用场景而言已经足够薄了。但要开发人们愿意常年持续佩戴的贴片，我们需要找出让人体更加无感的方案。

为研发更薄的可穿戴传感器，得克萨斯大学奥斯汀分校的教授德吉·阿金万德（Deji Akinwande）与鲁南姝于2017年首创了一款石墨烯电子文身贴（GET)。首批石墨烯电子文身贴厚度仅约500纳米，其使用方法与儿童趣味临时文身贴完全一致：使用者只需润湿载有石墨烯的聚合物衬底纸张，即可将其转印到皮肤上。

石墨烯是一种神奇的材料，它由单层碳原子构成，具有卓越的导电性、透明度、轻质性、强度与柔韧性。用在电子文身贴中时，其存在感近乎为零，使用者甚至感觉不到它粘附在皮肤上。采用单原子层厚的石墨烯（再结合几层其他材料）制成的文身贴厚度仅约有人类发丝直径的百分之一。它们质地柔软可塑，能完美顺应人体解剖结构，贴合每一道沟壑。

部分人误认为石墨烯缺乏生物相容性，无法用于生物电子领域。十余年前，在石墨烯的研发初期，确实有一些初步研究报告指出石墨烯薄片对于活细胞具有毒性，这主要源于其尺寸特性及某些石墨烯制备过程中使用的化学掺杂物。但此后的研究已确认石墨烯存在至少十余种功能各异的形态，其中的氧化石墨烯片层、化学气相沉积法生长石墨烯、激光诱导石墨烯等多种形态均没有毒性。例如，《自然•纳米技术》2024年的一篇刊文证实，吸入氧化石墨烯纳米片未引发任何毒性反应或不良反应。

我们确信，用于制造电子文身贴的单原子层石墨烯片具有完全的生物相容性。这类石墨烯已成功应用于神经植入体，不仅未显现毒性，反而还能促进神经细胞增殖。我们在数十名受试者身上测试了石墨烯基电子文身贴，均未出现副作用，甚至连轻微的皮肤刺激也未发生。

2017年，阿金万德与鲁南姝首次创造出石墨烯电子文身贴时，我刚在德国的于利希研究中心获得生物电子学博士学位。随后我加入阿金万德的实验室，最近则在自己的实验室（位于阿默斯特）继续这项研究。通过与合作伙伴的努力，我们在提升石墨烯电子文身贴性能方面取得了重大进展：2022年发布了2.0版本的研究报告，并持续推动这项技术向前发展。

世界卫生组织数据显示，心血管疾病是全球头号致死病因，致病因素包括饮食、生活方式及环境污染。对心脏活动（特别是心率和血压）进行长期监测，将成为追踪有疾病迹象的人群最简单直接的方式，而我们的电子文身贴正是实现这一目标的理想载体。

测量心率是一项相对简单的任务，因为心脏每次跳动时，心肌组织的去极化和复极化过程都会产生明显的电信号。为检测这类心电图信号，我们会在受试者皮肤上放置一对石墨烯电子文身贴传感器：将它们贴在胸部心脏附近，或者分别贴在双臂上。另外，将第三个文身贴传感器作为参考电极置于其他位置。在差分放大过程中，放大器会收到全部三个电极的信号，但会自动过滤掉参考电极与测量电极共有的信号，仅放大两个测量电极间的差异信号。通过这种方式，我们能够将相关的心电活动从人体周围的电生理噪声中分离出来。目前我们使用的是OpenBCI等公司生产的已集成到无线设备中的现成放大器模块。

通过电子文身贴持续监测血压则困难得多。我们与得克萨斯大学奥斯汀分校的阿金万德以及得克萨斯农工大学的鲁兹贝·贾法里（Roozbeh Jafari，现就职于麻省理工学院的林肯实验室）合作开展了这项工作。令人惊讶的是，现今医生使用的血压监测设备与百年前相比并无本质差异。您一定见过这种设备：通过缠绕在上臂处的充气袖带施加压力，暂时阻断动脉血流后缓慢放气，在放气过程中记录心脏推动血液通过动脉时的搏动，从而测量最高（收缩压）和最低（舒张压）压力值。虽然袖带式血压计在诊所环境很好用，但无法提供持续读数，也不能在受测者运动时进行测量。在医院环境中，护士在夜间需要唤醒患者来测量血压，而家用设备则要求使用者主动使用来监测其身体状况。

我们开发了一套仅使用粘贴式石墨烯电子文身贴即可持续、无感地监测血压的新系统。如我们在2022年的论文所述，石墨烯电子文身贴并不直接测量血压，而是通过测量生物电阻抗（即人体对电流的阻抗特性）来实现。我们使用多个石墨烯电子文身贴注入微弱电流（目前为50微安），电流经皮肤传导至皮下动脉；接下来，位于动脉上方的另一组石墨烯电子文身贴测量组织阻抗。由于动脉血液富含离子溶液，其导电性远优于周围脂肪与肌肉组织，因此动脉成为注入电流的最低阻抗路径。随着血液在动脉中流动，其体积会随每次心跳发生细微变化。血液体积的变化会改变阻抗水平，我们便利用这一点建立与血压的对应关系。

虽然生物电阻抗与血压存在明确关联，但二者并非线性关系，而这正是机器学习可以发挥作用之处。为训练模型理解这种关联，我们开展了一系列实验：使用石墨烯电子文身贴精确监测受试者的生物电阻抗，以及使用指套式设备监测其血压。我们记录了受试者在进行握力锻炼、将手浸泡到冰水以及完成其他会改变血压的活动时的数据。

在这些模型训练实验中，石墨烯文身贴具有不可替代的优势。测量生物电阻抗可以采用任意电极，例如搭载铝电极阵列的腕带也能实现。但是，生物电阻抗的测量值与血压的对应关系极其密切，因此电极位置哪怕偏移几毫米（如腕带轻微滑动）就会导致所测的数据完全没有用。我们的石墨烯文身贴能确保电极在整个记录过程中始终保持在同一个位置。

在完成模型训练后，我们再次使用石墨烯电子文身贴记录同一批受试者的生物电阻抗数据，并利用这些数据推导出他们的收缩压、舒张压和平均动脉压。我们对系统进行了测试，具体方法是通过持续5小时以上的血压监测（这一时长达到既往研究的十倍）。测量结果令人振奋：相比血压监测腕带，电子文身贴提供的读数更为精准，其性能完全达到IEEE无袖带可穿戴血压监测设备标准的最高精度等级要求。

尽管对现有进展感到欣慰，我们仍有诸多挑战需要攻克。每个人的生物特征模式都具有独特性，即每个个体的生物电阻抗与其血压的对应关系都是独一无二的。因此，对于每位受试者，我们目前必须为其重新校准系统。我们亟需开发更先进的数学分析方法，使机器学习模型能够描述这些信号间的普适性关联。

在美国心脏协会的支持下，我的实验室正在探索石墨烯电子文身贴另一项非常有前景的重要应用：检测动脉硬化程度和动脉斑块积聚情况，这二者都是心血管疾病的重要风险因素。目前医生通常采用超声和磁共振成像等诊断工具来检查动脉硬化与斑块，这些方法不仅需要患者前往医疗机构，使用昂贵设备，还必须依赖经过专业培训的医务人员进行操作和结果解读。

借助石墨烯电子文身，医生可以轻松快速地在身体多个部位进行检测，同时获得局部和整体数据。由于文身贴传感器可粘贴在任意位置，我们能够对现有设备难以触及的主要动脉（如颈动脉）进行检测。石墨烯电子文身还能实现电生理信号的极速读取。我们相信，通过机器学习可以将生物电阻抗测量结果与动脉硬化及斑块形成建立关联——目前只需开展一系列针对性实验并收集必要数据即可实现。

利用石墨烯电子文身进行这些检测，将帮助研究人员更深入地探究动脉硬化与斑块积聚如何导致高血压的发展。通过对大规模人群长期追踪这类数据，临床医生能更好地理解最终引发重大心脏疾病的病理机制，或许还能找到预防这些疾病的方法。

在另一研究领域中，我的实验室刚刚启动用于汗液生物传感的石墨烯文身贴的研发。当人体排汗时，汗液会将盐分及其他化合物带到皮肤表面，传感器可据此检测健康或疾病的生物标志物。我们首先聚焦于皮质醇，它是一种与压力、中风及多种内分泌系统疾病相关的激素。未来，我们期望能用这种文身贴检测汗液中的其他化合物成分，例如葡萄糖、乳酸、雌激素以及炎症标志物等。

目前已有多个实验室开发出了用于汗液生物传感的被动式或主动式电子贴片。被动式系统采用化学指示剂，它们在与汗液中的特定成分发生反应时会变色。主动式电化学装置通常配备3个电极，能检测各种浓度的物质并提供精确数据，但需要笨重的电子元件、电池和信号处理单元。这两种贴片都使用繁琐的微流控腔室来收集汗液。

在我们的汗液检测石墨烯电子文身贴中，石墨烯被用作晶体管。我们通过添加能与目标物质特异性结合的特定分子（例如抗体）来修改石墨烯表面。目标物质与抗体相互作用时，会产生可测量的电信号，从而改变石墨烯晶体管的电阻值。这种电阻变化最终被转换为表示目标分子存在及其浓度的读数。

我们已成功开发出了独立式石墨烯生物传感器，它们可检测食物毒素、测量铁蛋白（一种储存铁的蛋白质），以及区分新冠病毒与流感病毒。这些独立传感器看起来像芯片，实验时置于桌面上，由操作人员向其滴加液体样本。在美国国家科学基金会的支持下，我们正将这种基于晶体管的传感技术整合至可粘贴到皮肤上的石墨烯电子文身可穿戴生物传感器中，以实现与汗液的直接接触。

我们还通过增加微孔结构对石墨烯电子文身加以改进，这些微孔允许水分传输，避免因汗液在传感器下方积聚而影响其功能。目前我们正致力于确保有足量的汗液能从汗腺导管渗入到文身贴传感器中，使目标物质能与石墨烯充分反应。

要将我们的技术转化为用户友好的产品，仍存在若干制造工艺上的挑战。最重要的是，我们需要解决如何将这些智能电子文身贴整合到现有电子网络中的问题。目前我们必须将石墨烯电子文身连接到标准电子电路上才能实现电流输送、信号记录以及信息传输与处理。这意味着佩戴电子文身贴的人必须通过导线连接微型计算芯片，再由芯片无线传输数据。未来5到10年内，我们希望实现电子文身贴与智能手表的集成。这种集成需要通过混合互连技术，将柔性石墨烯文身贴与智能手表的刚性电子元件相结合。

长远来讲，我预见2D石墨烯材料将用于制造完全集成的电子电路、电源和通信模块。比利时微电子研究中心（IMEC）和英特尔等微电子巨头已开始研发基于2D材料（而非硅）的电子电路和节点。

或许在20年后，我们将开发出可与人体软组织融合的2D电子电路。想象一下：植入到皮肤中的电子设备能持续监测与健康状况相关的生物标志物，并通过用户友好的微型显示屏提供实时反馈。这项突破将为所有人提供一种便捷且无创的方式，帮助人们实时了解并主动管理自身健康情况，开启人类自我认知的新纪元。

作者：Dmitry Kireev