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表皮电子学的代表作：石墨烯纹身

2025/2/26 17:05:08

想象一下，现在是2040年，一个患有糖尿病的12岁孩子把一块口香糖塞进嘴里。他前臂上的一个临时纹身记录了他血液中糖分的上升，并将该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，这样他的妈妈就可以随时监控他。她有自己的临时纹身——一个用于测量他运动时汗液中的乳酸，另一个用于持续跟踪他的血压和心率。
目前，这种纹身还不存在，但世界各地的实验室正在研究这项关键技术，包括我在马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的实验室。这样的电子纹身可以帮助人们跟踪复杂的医疗状况，包括心血管、代谢、免疫系统和神经疾病，允许在严重问题出现之前进行早期筛查和健康跟踪的技术将带来更好的结果。尽管人们还不知道，几乎一半的美国成年人现在可能处于一种或多种这些疾病的早期阶段，
我们将能够研究与疾病有关的因素，如饮食、体育活动、环境暴露和心理状况。我们将能够进行长期研究，跟踪表面上健康的个体的生命体征以及他们的环境参数。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，只有工程上的突破才能实现对个人的监控，普通人日常生活中经常使用的负担得起的传感器。
构建这项技术是2D生物电子实验室的动力，我们在那里研究原子级薄的材料，如石墨烯。这些材料的特性使它们特别适合于先进且不引人注目的生物监视器。团队正在开发的石墨烯电子纹身，任何人都可以将其放在皮肤上进行化学或生理生物检测。

表皮电子学的兴起

“表皮电子设备”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表皮贴片中，旨在监测各种健康因素。罗杰斯最著名的发明之一是一套用于重症监护室新生儿的无线粘贴传感器，使护士更容易照顾脆弱的婴儿，父母也更容易拥抱他们。罗杰斯的可穿戴设备通常不到一毫米厚，对于许多医疗应用来说已经足够薄了。但是要制造一种人们愿意多年一直佩戴的贴片，我们需要一种不那么显眼的东西。
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德姬·阿金万德和南舒·卢教授在2017年创造了石墨烯电子纹身（GETs）。他们的第一批厚度约为500纳米的GETs就像孩子们佩戴的有趣的临时纹身一样：用户只需弄湿一张纸，将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。它非常导电、透明、重量轻、坚固且柔韧。当用于电子纹身时不容易察觉：用户甚至感觉不到它在皮肤上的存在。

心脏病电子纹身

根据世界卫生组织，心血管疾病是世界范围内死亡的主因，其因果因素包括饮食、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——直接跟踪显示出有问题迹象的人的健康数据。
通过纹身连续测量血压要困难得多。令人惊讶的是，今天医生使用的血压监测器与100年前的没有太大区别。你几乎肯定自己也遇到过这样的设备。这种机器使用一个袖带，通常放在上臂周围，充气后对动脉施加压力，直到它暂时停止血液流动，然后袖带慢慢放气。放气时，该机器记录心脏推动血液通过动脉时的心跳，并测量最高（收缩压）和最低（舒张压）。虽然这种袖带在医生的办公室里工作得很好，但它不能在一个人移动时提供连续的读数或进行测量。在医院环境中，护士会在晚上叫醒病人以获取血压读数，家用设备要求用户主动监控他们的血压水平。
我们开发了一种新的系统，仅使用粘贴式GETs来连续且不引人注目地测量血压。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。我们用几个GETs注入一个小幅度的电流（目前是50微安），通过皮肤到下面的动脉；到达动脉的另一侧，然后测量组织的阻抗。与周围的脂肪和肌肉相比，动脉内血液的丰富离子溶液是更好的导体，因此动脉是注入电流的最低电阻路径。当血液流经动脉时，其体积会随着每次心跳而轻微变化。这些血容量的变化改变了阻抗水平，然后我们将阻抗水平与血压相关联。
虽然生物阻抗和血压之间有明显的相关性，但它不是线性关系——所以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，同时用指套装置仔细监测我们的受试者对GETs的生物阻抗和他们的血压。我们记录了受试者进行握力练习、把手浸入冰冷的水中以及做其他改变血压的任务时的数据。
我们的石墨烯纹身对于这些模型训练实验是不可或缺的。生物阻抗可以用任何类型的电极来记录——一个带有铝电极阵列的腕带就可以完成这项工作。然而，测得的生物阻抗和血压之间的相关性是如此精确和微妙，以至于移动电极几毫米（就像轻微移动腕带）就会使数据变得无用。我们的石墨烯纹身在整个记录过程中使电极保持在完全相同的位置。

一旦我们有了训练好的模型，我们使用GETs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。我们通过连续测量他们的血压超过5个小时来测试我们的系统，这个时间比以前的研究长10倍。测量结果非常令人鼓舞：纹身产生的读数比血压监测腕带更准确，它们的性能符合IEEE标准下可佩戴无袖带血压监测仪的最高精度排名标准。
虽然我们对自己的进步感到满意，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——一个人的生物阻抗和血压之间的关系是独一无二的。因此，目前我们必须为每个科目重新校准系统。我们需要开发更好的数学分析，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记

在美国心脏协会的支持下，我的实验室正在研究另一项有前景的GET应用:测量动脉硬化和动脉内斑块积聚，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MRI等诊断工具来检查动脉硬化和斑块，这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来执行程序和解释结果。
一张照片显示前臂和手掌朝上的手。在前臂的左侧和右侧，有一行六个小形状附着在皮肤上。石墨烯纹身可以用来连续测量一个人的生物阻抗，或身体对电流的电阻，这与人的血压相关。德米特里·基列耶夫/德克萨斯大学奥斯丁分校和坎·Sel/德克萨斯A&M大学
有了GETs，医生可以轻松快速地在身体的多个部位进行测量，获得局部和全局的视角。由于我们可以将纹身贴在任何地方，我们可以从主要动脉获得测量结果，否则用今天的工具很难达到，例如颈部的颈动脉。GETs还提供了极快的电气测量读数。我们相信，我们可以使用机器学习将生物阻抗测量与动脉硬化和斑块相关联——这只是进行一系列定制实验和收集必要数据的问题。
使用GETs进行这些测量将使研究人员能够更深入地了解动脉硬化和斑块堆积与高血压发展的关系。在大规模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主要心脏病的问题——也许还能帮助他们找到预防这些疾病的方法。

你能从汗水中学到什么？

在另一个不同的工作领域，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，液体会将盐和其他化合物带到皮肤上，传感器可以检测到健康或疾病的标志。我们最初关注的是皮质醇，这是一种与压力、中风和几种内分泌系统紊乱有关的激素。接下来，我们希望利用我们的纹身来感知汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸盐、雌激素和炎症标记物。
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。被动系统使用一种化学指示剂，当它与汗液中的特定成分反应时会改变颜色。活性电化学设备通常使用三个电极，可以检测各种浓度的物质，并产生准确的数据，但它们需要庞大的电子设备、电池和信号处理单元。两种类型的贴片都使用笨重的微流体室来收集汗液。
在我们获取汗水的过程中，我们将石墨烯用作晶体管。我们通过添加某些分子，如抗体，来修饰石墨烯的表面，这些分子旨在结合特定的目标。当目标物质与抗体相互作用时，它会产生可测量的电信号，然后改变石墨烯晶体管的电阻。该电阻变化被转换成指示目标分子的存在和浓度的读数。
我们已经成功开发了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），并区分新冠肺炎病毒和流感病毒。这些独立的传感器看起来像芯片，我们把它们放在桌面上，在上面滴上液体进行实验。目前，我们正在将这种基于晶体管的传感方法集成到可穿戴生物传感器中，这种传感器可以贴在皮肤上，与汗液直接接触。
我们还改进了吸气剂，增加了微孔，便于水分运输，这样汗水就不会积聚在吸气剂下面，干扰其功能。现在，我们正在努力确保足够的汗液从汗腺导管进入纹身，以便目标物质可以与石墨烯发生反应。

石墨烯纹身的未来

要将我们的技术转化为用户友好的产品，有一些工程上的挑战。最重要的是，我们需要弄清楚如何将这些智能电子纹身整合到现有的电子网络中。目前，我们必须将get连接到标准电子电路上，以传输电流、记录信号、传输和处理信息。这意味着，纹身者必须连接到一个微小的计算芯片，然后无线传输数据。在未来五到十年，我们希望将电子纹身与智能手表相结合。
也许20年后，我们将拥有可以与人体软组织集成的2D电子电路。想象一下嵌入在皮肤中的电子设备，它们持续监测与健康相关的生物标志物，并通过微妙、用户友好的显示器提供实时反馈。这一进步将为每个人提供一种便捷和非侵入性的方式来保持知情和主动管理自己的健康，开启人类自我认知的新时代。查询进一步信息，请访问官方网站