石墨烯电子纹身：开启无创生物监测新时代

Dmitry Kireev/University of Massachusetts Amherst

设想2040年的某个场景：12岁的糖尿病患儿咀嚼口香糖时，前臂的临时纹身实时感应血糖波动，数据同步传输至手机和云端监护系统。成年人运动时佩戴的乳酸监测纹身与持续追踪血压的电子贴片，共同构建全天候健康防护网。这些由麻省大学阿默斯特实验室领衔研发的石墨烯电子纹身（Graphene Electronic Tattoos, GETs），正将科幻场景变为现实。

虽然这种技术尚未实现，但全球实验室——包括作者所在的麻省大学阿默斯特分校实验室——正在攻关核心技术。电子纹身的潜在价值巨大：它们能帮助追踪心血管疾病、代谢紊乱、免疫系统异常和神经退行性疾病等复杂健康状况。当前美国近半数成年人可能正处于这些疾病的早期阶段而不自知，长期健康监测技术将改变疾病防控格局（https://professional.heart.org/en/science-news/-/media/453448D7D79948B39D5851D1FF2A0CFE.ashx）。

通过持续监测饮食、运动、环境暴露和心理状态等致病因素，配合大规模人群长期追踪研究，我们将获得变革性的医疗数据，推动精准治疗和预防医学的发展（https://spectrum.ieee.org/tag/vital-signs）。但实现数周、数月乃至数年的持续监测，需要工程学突破——开发普通人愿意长期日常使用的平价传感器。

在作者的二维生物电子实验室，专注于石墨烯等原子级薄层材料的研究（https://kireevlab.com/）。这类材料独特的导电性、透明度、轻质化和柔韧性，使其成为理想的无创生物监测载体。团队正在开发适用于化学和生理传感的石墨烯电子纹身（GETs），任何人都能轻松贴肤使用。

表皮电子学的崛起

西北大学John Rogers团队开创的"表皮电子学"技术，将硅芯片、传感器、LED、天线等集成于超薄贴片，已应用于新生儿重症监护无线传感系统，让医护人员和父母都能更安心地照料婴儿。虽然现有设备厚度不足1毫米已能满足医疗需求，但要实现长期佩戴，我们需要更隐形的解决方案。

2017年，德克萨斯大学奥斯汀分校Deji Akinwande和Nanshu Lu教授团队研发出厚度仅500纳米的石墨烯电子纹身（https://spectrum.ieee.org/graphene-temporary-tattoo）。其使用方法类似儿童临时纹身：湿润转移纸即可将聚合物支撑的石墨烯贴附皮肤。这种单原子层碳材料不仅具备卓越导电性，其超薄特性（约为头发直径的百分之一）更赋予其完美贴合人体曲线的柔韧性，佩戴者几乎感受不到存在。

Dmitry Kireev/The University of Texas at Austin

针对石墨烯生物相容性的质疑，近年研究证实：通过化学气相沉积法或激光诱导法制备的石墨烯（不同于早期研究的氧化石墨烯薄片）具有生物安全性。2024年《自然·纳米技术》论文显示（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/tx400385x），吸入石墨烯氧化物纳米片未引发毒性反应。我们已在数十名受试者中验证GETs的安全性，未发现皮肤刺激等不良反应（https://www.nature.com/articles/s41565-023-01572-3）。

我们知道，用于制造电子纹身的单原子厚度的石墨烯片是完全生物相容的。这种石墨烯已经被用于神经植入物，没有任何毒性迹象，甚至可以促进神经细胞的增殖（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b05647）。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，甚至连轻微的皮肤刺激都没有。

2017年，Akinwande和Lu制造出第一批石墨烯电子纹身（GETs）时，我（作者，以下简称我）刚刚在德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）完成生物电子学博士学位的学习。我加入了Akinwande的实验室，最近又在我自己位于Amherst的实验室继续这项工作。我和我的合作者在提高石墨烯电子纹身的性能方面取得了重大进展；2022年我们发表了一份关于2.0版本的报告，并且我们一直在推动这项技术向前发展（https://www.nature.com/articles/s41699-022-00324-6）。

心脏病监测新维度

世界卫生组织数据显示，心血管疾病是全球头号死因（https://www.who.int/health-topics/cardiovascular-diseases）。长期监测心率和血压对高危人群至关重要。其致病因素包括饮食、生活方式和环境污染。对人们心脏活动（特别是心率和血压）进行长期追踪，将是一种监测有发病迹象人群的直接方法。我们的电子纹身将非常适合用于这一目的。

测量心率是较为容易的任务，因为当肌肉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。为了检测这种心电图信号，我们将一对石墨烯电子纹身放置在人的皮肤上，可以是靠近心脏的胸部，也可以是双臂上。第三个纹身被放置在其他位置并用作参考点。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，但会忽略同时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值的信号。通过这种方式，我们将相关的心脏电活动从人体周围的电生理噪声中分离出来。我们一直在使用像OpenBCI这样的公司生产的现成放大器，这些放大器被封装成无线设备。

通过纹身持续测量血压要困难得多。我们与得克萨斯大学奥斯汀分校的Akinwande以及得克萨斯A&M大学（现就职于麻省理工学院林肯实验室）的Roozbeh Jafari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100年前医生使用的并没有太大区别。你自己几乎肯定也使用过这样的设备。这种仪器使用一个袖带，通常绑在上臂上，袖带充气对动脉施加压力，直至暂时阻断血流，然后袖带缓慢放气。在放气过程中，仪器记录心脏推动血液通过动脉时的搏动，并测量最高（收缩压）和最低（舒张压）压力。虽然袖带在医生办公室使用效果很好，但它无法在人活动时提供连续读数或进行测量。在医院环境中，护士会在夜间叫醒患者来测量血压，而家用设备需要使用者积极主动地监测自己的血压水平。

Chris Philpot

我们开发了一种新系统，仅使用粘贴式石墨烯电子纹身就能持续且不引人注意地测量血压。正如我们在2022年的一篇论文中所描述的那样，石墨烯电子纹身并非直接测量压力（https://www.nature.com/articles/s41565-022-01145-w）。相反，它测量的是生物电阻抗——人体对电流的电阻。我们使用几个石墨烯电子纹身注入小幅度电流（目前为50微安），电流穿过皮肤到达下方的动脉；位于动脉另一侧的石墨烯电子纹身随后测量组织的阻抗。动脉内富含离子的血液溶液比周围的脂肪和肌肉导电性更好，所以动脉是注入电流的最低电阻路径。随着血液在动脉中流动，其容量会随着每次心跳而略有变化。这些血容量的变化会改变阻抗水平，然后我们将其与血压关联起来。

虽然生物阻抗和血压之间存在明显的相关性，但这并非一种线性关系——所以这就轮到机器学习发挥作用了。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，同时仔细地用石墨烯电子纹身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。当实验对象进行握力练习、将手浸入冰冷的水中以及做其他改变血压的任务时，我们记录了相关数据。

在这些模型训练实验中，我们的石墨烯纹身是不可或缺的。生物阻抗可以用任何类型的电极来记录——带有一排铝电极的腕带就可以完成这项工作。然而，所测量的生物阻抗和血压之间的相关性非常精确且微妙，仅仅将电极移动几毫米（就像稍微移动一下腕带那样）就会使数据变得毫无用处。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。

一旦我们有了经过训练的模型，我们就再次使用石墨烯电子纹身录这些相同受试者的生物阻抗数据，然后从这些数据中推导出他们的收缩压、舒张压和平均血压。我们通过连续5个多小时测量他们的血压来测试我们的系统，这一测量时长是之前研究的10倍。测量结果非常令人鼓舞。这些纹身产生的读数比血压监测腕带更准确，并且其性能达到了IEEE可穿戴无袖带血压监测仪标准下最高精度等级的标准。

虽然我们对自己取得的进展感到满意，但仍有更多工作要做。每个人的生物特征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因人而异的。所以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。

一旦我们有了经过训练的模型，我们就再次使用石墨烯电子纹身记录这些相同受试者的生物阻抗数据，然后从这些数据中推导出他们的收缩压、舒张压和平均血压。我们通过连续5个多小时测量他们的血压来测试我们的系统，这一测量时长是之前研究的10倍。测量结果非常令人鼓舞。这些纹身产生的读数比血压监测腕带更准确，并且其性能达到了IEEE可穿戴无袖带血压监测仪标准下最高精度等级的标准（https://standards.ieee.org/ieee/1708/5927/）。

虽然我们对自己取得的进展感到满意，但仍有更多工作要做。每个人的生物特征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因人而异的。所以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。

追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石墨烯电子纹身（GET）的另一项很有前景的应用：测量动脉僵硬度和动脉内斑块堆积情况，这两者都是心血管疾病的风险因素。如今，医生通常使用超声和磁共振成像（MRI）等诊断工具来检查动脉僵硬度和斑块，这些都要求患者前往医疗机构，使用昂贵的设备，并且依赖训练有素的专业人员来操作流程和解读结果。

Dmitry Kireev/The University of Texas at Austin and Kaan Sel/Texas A&M University

有了石墨烯电子纹身，医生能够轻松、快速地对身体多个部位进行测量，从而获得局部和整体的情况。由于我们可以将纹身贴在任何地方，我们就能从用当今工具难以触及的主要动脉（如颈部的颈动脉）获取测量数据。石墨烯电子纹身还能极快地读出电测量结果。并且我们相信，我们可以利用机器学习将生物电阻抗测量结果与动脉僵硬度和斑块相关联——这只是进行一系列定制实验并收集必要数据的问题。

将石墨烯电子纹身用于这些测量，将使研究人员能够更深入地探究动脉僵化和斑块堆积与高血压发展之间的关联。在大量人群中长时间追踪这些信息，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。

汗液中的健康密码

在另一个工作领域，我的实验室刚刚开始研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，传感器能够检测到健康或疾病的标志物。我们最初聚焦于皮质醇，这是一种与压力、中风以及内分泌系统多种疾病相关的激素。接下来，我们希望利用我们的纹身来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。

一些实验室已经推出了用于汗液生物传感的无源或有源电子贴片。无源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变色。有源电化学装置通常使用三个电极，能够检测多种浓度范围的物质并产生准确的数据，但它们需要庞大的电子元件、电池和信号处理单元。而且这两种类型的贴片都使用笨重的微流体腔室来收集汗液。

在我们用于汗液检测的石墨烯电子纹身中，我们将石墨烯用作晶体管。我们通过添加某些分子（如抗体）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，会产生一个可测量的电信号，进而改变石墨烯晶体管的电阻。这种电阻变化会被转换为读数，以表明目标分子的存在及其浓度。

我们已经成功开发出独立的石墨烯生物传感器，它能够检测食物毒素、测量铁蛋白（一种储存铁的蛋白质），还能区分新冠病毒和流感病毒（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c07707）。那些独立的传感器看起来像芯片，我们把它们放在桌面上，然后将液体滴在上面进行实验。在美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）的支持下，我们现在正在将这种基于晶体管的传感方法集成到石墨烯电子纹身可穿戴生物传感器中，这种传感器可以贴在皮肤上直接接触汗液。

我们还通过添加微孔来改进我们的石墨烯电子纹身，以便让水分传输，这样汗液就不会在石墨烯电子纹身下面积聚并干扰其功能。现在我们正在努力确保有足够的汗液从汗腺导管流出并进入纹身，从而使目标物质能够与石墨烯发生反应。

石墨烯纹身的技术挑战与未来展望

要将我们的技术转化为用户友好型产品，存在一些工程方面的挑战。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，我们必须将石墨烯电子纹身连接到标准电子电路上，以提供电流、记录信号以及传输和处理信息。这意味着佩戴纹身的人必须与一个微型计算芯片连接，然后这个芯片再无线传输数据。在未来的五到十年内，我们希望将电子纹身与智能手表集成。这种集成将需要一种混合互连结构，以将柔性的石墨烯纹身连接到智能手表的刚性电子元件上。

从长远来看，我设想二维石墨烯材料将被用于全集成电子电路、电源和通信模块。像Imec和Intel这样的微电子巨头已经在寻求用二维材料而非硅来制造电子电路和节点。

也许20年后，我们将拥有能够与人体软组织集成的二维电子电路。想象一下，嵌入皮肤的电子设备持续监测与健康相关的生物标志物，并通过细微、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且无创的方式来获取信息并主动管理自身健康，开启人类自我认知的新时代。