石墨烯电子文身（GETs）是一种超薄的柔性生物传感器，能够无创、实时监测多种健康指标，已在实验室中成功应用于血压监测、汗液分析等领域。未来，GETs有望与智能设备集成，推动个性化健康管理，为无创健康监测技术的发展开辟新路径。
想象一下2040年的一个场景：一名患有糖尿病的12岁男孩在咀嚼口香糖时，前臂上的临时文身记录了他血糖上升的情况，并将这一信息发送到他的手机上。同时，这个健康监测文身的数据也会上传至云端，这样他的妈妈就能随时关注他的状况。
目前，这样的电子文身还不存在，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）都在致力于开发这一关键技术。这项技术潜力巨大：它可以帮助人们追踪复杂的健康状况，包括心血管疾病、代谢紊乱、免疫系统疾病和神经退行性疾病。近半数的美国成年人可能正处于其中一种或多种疾病的早期阶段而不自知。
如果能在严重问题出现之前利用好早期筛查和健康监测技术，相关患者的治疗结果将大幅提升。我们可以分析疾病的相关因素，如饮食、运动、环境暴露和心理状况等，并对健康人群的生命体征和其所处环境的参数进行长期跟踪和研究，以获得大量的变革性数据。这些数据有助于实现更好的治疗和预防效果。但要实现长达数年（而非数周或数月）的个体监测，唯一的途径就是依靠工程方面的突破：开发出普通人愿意在日常生活中使用的平价传感器。
这也是我的二维生物电子实验室努力的方向。实验室专注于研究石墨烯等原子级薄材料——这些材料的特性使其成为先进、无创生物监测设备的理想选择。目前，实验室团队正在开发可以轻松贴肤使用的GETs，用于化学或生理传感。
表皮电子学的兴起
这种即用即贴式传感器的想法源于美国西北大学约翰 · 罗杰斯（John Rogers）团队的开创性工作。他们将尖端硅芯片、传感器、发光二极管（LED）、天线和换能器嵌入薄薄的表皮贴片中，旨在监测多种健康指标。罗杰斯最著名的发明之一就是专为重症监护室的新生儿设计的一套无线粘贴式传感器，这些传感器让护士和父母都能更方便地照顾那些婴儿。
罗杰斯的可穿戴设备通常不到1毫米厚，对于许多医疗需求来说已经足够薄了。但要制作一款人们愿意佩戴多年的贴片，还需要更薄、更不显眼的设计。
2017年，得克萨斯大学奥斯汀分校的德吉 · 阿金万德（Deji Akinwande）教授和鲁南姝教授发明了厚度仅为500纳米的GETs。其使用方法就像孩子们玩的临时文身贴一样：只需将一张纸弄湿，就能将基于聚合物的石墨烯电子文身转移到皮肤上。
石墨烯是一种由单层碳原子构成的神奇材料。它具有导电性极佳、透明、轻质、高强度、韧性好的特点。当用于电子文身时，使用者甚至感觉不到它在皮肤上。这种文身大约只有人类头发直径的1%。它们柔软且有弹性，能够完美贴合人体皮肤纹理。
当阿金万德和鲁于2017年创造出第一批GETs时，我刚在德国研究机构——于利希研究中心——完成生物电子学博士学位的学习。随后，我加入了阿金万德的实验室开展GETs相关研究，最近，又在自己位于马萨诸塞大学阿默斯特分校的实验室继续这项工作。我和合作者们在提高GETs性能方面取得了重大进展，也一直在推动这项技术继续向前发展。
超薄石墨烯文身柔软且有弹性，能完美贴合人体皮肤纹理
用于心脏疾病监测的GETs
世界卫生组织（WHO）数据显示，心血管疾病是全球头号死因，其诱因包括饮食、生活方式和环境污染等。长期追踪人们的心脏活动（尤其是心率和血压）是监测高危人群的直接手段。GETs在这方面可谓理想选择。
测量心率较为简单，因为当心肌去极化和复极化以产生每次心跳时，心脏组织会产生明显的电信号。为了检测这种电信号，我们在人的皮肤上贴了两个GETs，要么贴在靠近心脏的胸部，要么贴在两条手臂上。第三个文身贴在身体的其他部位，用作参考点。在所谓的“差分放大”过程中，放大器接收来自以上三个电极的信号，但忽略出现在参考电极和测量电极中的信号，只放大代表两个测量电极之间差异的信号。这样，我们就能将相关的心脏电活动从周围的人体电生理噪声中分离出来。
通过文身持续监测血压要困难得多。我们与阿金万德以及鲁兹贝 · 贾法里（Roozbeh Jafari，现就职于麻省理工学院林肯实验室）合作开展了这项工作。令人惊讶的是，如今医生使用的血压监测仪与一百年前医生使用的设备并无显著不同。虽然这种设备在医生办公室用起来效果很好，但它无法提供连续读数，也无法在人活动时进行测量。在医院，护士会在夜间叫醒病人测量血压，而家用设备则要求使用者主动测量血压水平。
我们开发出借助粘贴式GETs就可以持续、无感监测血压的新系统。正如我们在2022年的一篇论文中所描述的，GETs并不直接测量压力，而是测量“生物阻抗”。我们借助几个GETs注入微电流（目前为50微安），电流穿过皮肤到达下方的动脉，位于动脉另一侧的GETs则测量组织的阻抗。动脉内富含离子的血液导电性比周围的脂肪和肌肉更好，因此动脉是注入电流的最低电阻路径。当血液流经动脉时，其容量会随着每次心跳而略有变化。这些变化会改变阻抗水平，由此我们才将其与血压关联起来。
GETs可用于持续监测血压。如上图所示，贴在皮肤上的两个GETs（黑色）作为注入电极，通过手臂传送微弱电流。由于血液比组织的导电性好，电流会通过下方的动脉。另有四个充当传感电极（灰色）的GETs测量“生物阻抗”，即身体对电流的阻力，它会随着每次心跳时的动脉血流量变化而变化
虽然生物阻抗与血压之间存在明显的相关性，但并非线性关系，这让机器学习有了用武之地。为了训练模型以理解这种相关性，我们进行了一系列实验，用GETs实时监测实验对象的生物阻抗，并用指套式设备监测他们的血压。当实验对象通过握力练习、冰水刺激等方式改变血压时，我们也记录了相关数据。
在这些模型训练实验中，GETs发挥了不可替代的作用。虽然生物阻抗可以通过任何类型的电极进行记录——带有铝电极阵列的腕带就能完成这一任务——但（测量后我们发现）生物阻抗与血压之间的相关性极为精确且微妙，电极位置偏移几毫米（如腕带轻微移动）就会使数据失效。GETs却能确保电极在整个记录过程中始终处于同一位置，这为数据的有效性提供了保障。
有了训练有素的模型后，我们再次用GETs记录了这些实验对象的生物阻抗数据，然后基于数据计算出他们的收缩压、舒张压和平均血压。我们对系统进行了超过5小时（时长是过往研究的10倍）的持续血压监测测试，结果非常鼓舞人心：与传统的血压监测腕带相比，GETs读数更精准，也达到了电气电子工程师学会（IEEE）无袖带可穿戴血压监测设备的最高精度标准。
尽管我们对目前的进展感到满意，但仍有许多工作要做。每个人的生物特征模式都是独一无二的，生物阻抗与血压之间的关系也因人而异。因此，目前我们必须为每个实验对象重新校准系统。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。
心脏疾病层面的其他潜在应用
在美国心脏协会的支持下，我的实验室目前正在探索石墨烯电子文身的另一种潜在应用：测量动脉僵硬度和动脉内的斑块堆积情况。这两者都是心血管疾病的风险因素。目前，医生通常使用超声波和磁共振成像（MRI）等诊断工具来检查动脉僵硬度和斑块，这些方法需要患者前往医疗机构，使用昂贵的设备，并依赖训练有素的专业人员进行操作和解读结果。
有了GETs，医生可以轻松且快速地测量人体多个部位的指标，从而了解局部和整体的情况。由于GETs可以贴附于任何位置，因此我们可以借助其获得现有工具难以触及的主要动脉（如颈动脉）的测量数据。GETs还可以实时监测电信号。我们相信，通过机器学习，可以将生物阻抗测量与动脉僵硬度、斑块堆积情况联系起来——只需进行一系列定制化实验并收集必要数据即可。
利用GETs进行这些测量也有助于研究人员更深入地探究动脉硬化、斑块形成与高血压之间的关系。通过在大规模的人群中长期追踪这些数据，临床医生可以更好地理解重大心脏疾病的形成机制，这或许还能帮他们找到预防这些疾病的方法。
汗液中的健康密码
与此同时，我的实验室也在着手开发用于汗液生物传感的石墨烯文身。人们出汗时，汗液会将盐分和其他化合物带到皮肤上，传感器可以检测到这些化合物，以判断人体健康状况。
我们用石墨烯作为晶体管，并通过添加抗体等特定分子来修饰石墨烯表面。这些分子被设计用于结合特定目标。当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。这种电阻变化被转换为读数，提示目标分子的存在和浓度。
我们已经成功开发出能够检测食物毒素、测量铁蛋白以及区分新冠病毒和流感病毒的独立石墨烯生物传感器。通过把这些看起来像芯片的独立传感器放置在桌面上，并将液体滴在上面进行实验，我们试图将这种晶体管传感技术集成到可穿戴GETs中。这些文身会与汗液直接接触。
我们还通过添加微孔来改进GETs，以便水分传输，这样汗液就不会在GETs下积聚并干扰其功能。现在我们正在努力确保有足够的汗液从汗腺流出并进入文身中，从而使目标物质能够与石墨烯充分反应。
我们最初关注的是皮质醇，这是一种与压力、中风和多种内分泌系统疾病有关的激素。未来，我们希望利用这种文身检测汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸、雌激素和炎症标志物等。
GETs的未来挑战
要将我们的技术转化为用户友好型产品，仍有一些工程方面的挑战需要克服。最重要的是，我们得弄清楚如何才能将这些智能电子文身集成到现有的电子网络中。目前，我们只能将GETs连接到标准电子电路上，以提供电流、记录信号并传输和处理信息。这意味着“佩戴”文身的人必须与一个微型计算芯片相连，然后该芯片再以无线方式传输数据。在未来的五到十年内，我们希望将电子文身与智能手表集成在一起。这种集成需要一种混合互连的技术，以便将柔性的石墨烯文身与智能手表的刚性电子元件连接起来。
从长远来看，我认为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。微电子巨头，如比利时微电子研究中心（IMEC）和英特尔，已经在研究用二维材料替代硅来制作电子电路和节点。
也许20年后，我们就会拥有可以与人体软组织融为一体的二维电子电路。届时，嵌入皮肤中的电子设备能够持续监测与健康相关的生物标志物，并通过灵敏且友好的显示界面提供实时反馈。这一进展将为所有人提供一种便捷且无创的健康管理方式，有助于开启人类自我认知的新时代。
资料来源 IEEE Spectrum
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本文作者德米特里·基列耶夫（Dmitry Kireev）是马萨诸塞大学阿默斯特分校助理教授，专注于可穿戴与植入式生物电子设备、生物传感器等领域的研究