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表皮電子學(xué)的代表作：石墨烯紋身

2025/2/26 17:05:08

想象一下，現(xiàn)在是2040年，一個(gè)患有糖尿病的12歲孩子把一塊口香糖塞進(jìn)嘴里。他前臂上的一個(gè)臨時(shí)紋身記錄了他血液中糖分的上升，并將該信息發(fā)送到他的手機(jī)上。這個(gè)健康監(jiān)測(cè)紋身的數(shù)據(jù)也被上傳到云端，這樣他的媽媽就可以隨時(shí)監(jiān)控他。她有自己的臨時(shí)紋身——一個(gè)用于測(cè)量他運(yùn)動(dòng)時(shí)汗液中的乳酸，另一個(gè)用于持續(xù)跟蹤他的血壓和心率。
目前，這種紋身還不存在，但世界各地的實(shí)驗(yàn)室正在研究這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括我在馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校的實(shí)驗(yàn)室。這樣的電子紋身可以幫助人們跟蹤復(fù)雜的醫(yī)療狀況，包括心血管、代謝、免疫系統(tǒng)和神經(jīng)疾病，允許在嚴(yán)重問題出現(xiàn)之前進(jìn)行早期篩查和健康跟蹤的技術(shù)將帶來更好的結(jié)果。盡管人們還不知道，幾乎一半的美國成年人現(xiàn)在可能處于一種或多種這些疾病的早期階段，
我們將能夠研究與疾病有關(guān)的因素，如飲食、體育活動(dòng)、環(huán)境暴露和心理狀況。我們將能夠進(jìn)行長(zhǎng)期研究，跟蹤表面上健康的個(gè)體的生命體征以及他們的環(huán)境參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可能會(huì)帶來變革，帶來更好的治療和預(yù)防保健。但是，只有工程上的突破才能實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人的監(jiān)控，普通人日常生活中經(jīng)常使用的負(fù)擔(dān)得起的傳感器。
構(gòu)建這項(xiàng)技術(shù)是2D生物電子實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力，我們?cè)谀抢镅芯吭蛹?jí)薄的材料，如石墨烯。這些材料的特性使它們特別適合于先進(jìn)且不引人注目的生物監(jiān)視器。團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)的石墨烯電子紋身，任何人都可以將其放在皮膚上進(jìn)行化學(xué)或生理生物檢測(cè)。

表皮電子學(xué)的興起

“表皮電子設(shè)備”將最先進(jìn)的硅芯片、傳感器、發(fā)光二極管、天線和傳感器嵌入薄表皮貼片中，旨在監(jiān)測(cè)各種健康因素。羅杰斯最著名的發(fā)明之一是一套用于重癥監(jiān)護(hù)室新生兒的無線粘貼傳感器，使護(hù)士更容易照顧脆弱的嬰兒，父母也更容易擁抱他們。羅杰斯的可穿戴設(shè)備通常不到一毫米厚，對(duì)于許多醫(yī)療應(yīng)用來說已經(jīng)足夠薄了。但是要制造一種人們?cè)敢舛嗄暌恢迸宕鞯馁N片，我們需要一種不那么顯眼的東西。
為了尋找更薄的可穿戴傳感器，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的德姬·阿金萬德和南舒·盧教授在2017年創(chuàng)造了石墨烯電子紋身（GETs）。他們的第一批厚度約為500納米的GETs就像孩子們佩戴的有趣的臨時(shí)紋身一樣：用戶只需弄濕一張紙，將聚合物支撐的石墨烯轉(zhuǎn)移到皮膚上。
石墨烯是一種由單層碳原子組成的奇妙材料。它非常導(dǎo)電、透明、重量輕、堅(jiān)固且柔韌。當(dāng)用于電子紋身時(shí)不容易察覺：用戶甚至感覺不到它在皮膚上的存在。

心臟病電子紋身

根據(jù)世界衛(wèi)生組織，心血管疾病是世界范圍內(nèi)死亡的主因，其因果因素包括飲食、生活方式和環(huán)境污染。長(zhǎng)期跟蹤人們的心臟活動(dòng)——特別是他們的心率和血壓——直接跟蹤顯示出有問題跡象的人的健康數(shù)據(jù)。
通過紋身連續(xù)測(cè)量血壓要困難得多。令人驚訝的是，今天醫(yī)生使用的血壓監(jiān)測(cè)器與100年前的沒有太大區(qū)別。你幾乎肯定自己也遇到過這樣的設(shè)備。這種機(jī)器使用一個(gè)袖帶，通常放在上臂周圍，充氣后對(duì)動(dòng)脈施加壓力，直到它暫時(shí)停止血液流動(dòng)，然后袖帶慢慢放氣。放氣時(shí)，該機(jī)器記錄心臟推動(dòng)血液通過動(dòng)脈時(shí)的心跳，并測(cè)量最高（收縮壓）和最低（舒張壓）。雖然這種袖帶在醫(yī)生的辦公室里工作得很好，但它不能在一個(gè)人移動(dòng)時(shí)提供連續(xù)的讀數(shù)或進(jìn)行測(cè)量。在醫(yī)院環(huán)境中，護(hù)士會(huì)在晚上叫醒病人以獲取血壓讀數(shù)，家用設(shè)備要求用戶主動(dòng)監(jiān)控他們的血壓水平。
我們開發(fā)了一種新的系統(tǒng)，僅使用粘貼式GETs來連續(xù)且不引人注目地測(cè)量血壓。正如我們?cè)?022年的一篇論文中所述，GET并不直接測(cè)量壓力。相反，它測(cè)量的是生物電阻抗——人體對(duì)電流的電阻。我們用幾個(gè)GETs注入一個(gè)小幅度的電流（目前是50微安），通過皮膚到下面的動(dòng)脈；到達(dá)動(dòng)脈的另一側(cè)，然后測(cè)量組織的阻抗。與周圍的脂肪和肌肉相比，動(dòng)脈內(nèi)血液的豐富離子溶液是更好的導(dǎo)體，因此動(dòng)脈是注入電流的最低電阻路徑。當(dāng)血液流經(jīng)動(dòng)脈時(shí)，其體積會(huì)隨著每次心跳而輕微變化。這些血容量的變化改變了阻抗水平，然后我們將阻抗水平與血壓相關(guān)聯(lián)。
雖然生物阻抗和血壓之間有明顯的相關(guān)性，但它不是線性關(guān)系——所以這就是機(jī)器學(xué)習(xí)的用武之地。為了訓(xùn)練一個(gè)模型來理解這種相關(guān)性，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用指套裝置仔細(xì)監(jiān)測(cè)我們的受試者對(duì)GETs的生物阻抗和他們的血壓。我們記錄了受試者進(jìn)行握力練習(xí)、把手浸入冰冷的水中以及做其他改變血壓的任務(wù)時(shí)的數(shù)據(jù)。
我們的石墨烯紋身對(duì)于這些模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)是不可或缺的。生物阻抗可以用任何類型的電極來記錄——一個(gè)帶有鋁電極陣列的腕帶就可以完成這項(xiàng)工作。然而，測(cè)得的生物阻抗和血壓之間的相關(guān)性是如此精確和微妙，以至于移動(dòng)電極幾毫米（就像輕微移動(dòng)腕帶）就會(huì)使數(shù)據(jù)變得無用。我們的石墨烯紋身在整個(gè)記錄過程中使電極保持在完全相同的位置。

一旦我們有了訓(xùn)練好的模型，我們使用GETs再次記錄這些受試者的生物阻抗數(shù)據(jù)，然后從這些數(shù)據(jù)中得出他們的收縮壓、舒張壓和平均血壓。我們通過連續(xù)測(cè)量他們的血壓超過5個(gè)小時(shí)來測(cè)試我們的系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)間比以前的研究長(zhǎng)10倍。測(cè)量結(jié)果非常令人鼓舞：紋身產(chǎn)生的讀數(shù)比血壓監(jiān)測(cè)腕帶更準(zhǔn)確，它們的性能符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)下可佩戴無袖帶血壓監(jiān)測(cè)儀的最高精度排名標(biāo)準(zhǔn)。
雖然我們對(duì)自己的進(jìn)步感到滿意，但仍有許多工作要做。每個(gè)人的生物特征模式都是獨(dú)一無二的——一個(gè)人的生物阻抗和血壓之間的關(guān)系是獨(dú)一無二的。因此，目前我們必須為每個(gè)科目重新校準(zhǔn)系統(tǒng)。我們需要開發(fā)更好的數(shù)學(xué)分析，使機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠描述這些信號(hào)之間的一般關(guān)系。

追蹤其他心臟生物標(biāo)記

在美國心臟協(xié)會(huì)的支持下，我的實(shí)驗(yàn)室正在研究另一項(xiàng)有前景的GET應(yīng)用:測(cè)量動(dòng)脈硬化和動(dòng)脈內(nèi)斑塊積聚，這兩者都是心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)因素。如今，醫(yī)生通常使用超聲和MRI等診斷工具來檢查動(dòng)脈硬化和斑塊，這需要患者前往醫(yī)療機(jī)構(gòu)，使用昂貴的設(shè)備，并依賴訓(xùn)練有素的專業(yè)人員來執(zhí)行程序和解釋結(jié)果。
一張照片顯示前臂和手掌朝上的手。在前臂的左側(cè)和右側(cè)，有一行六個(gè)小形狀附著在皮膚上。石墨烯紋身可以用來連續(xù)測(cè)量一個(gè)人的生物阻抗，或身體對(duì)電流的電阻，這與人的血壓相關(guān)。德米特里·基列耶夫/德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校和坎·Sel/德克薩斯A&M大學(xué)
有了GETs，醫(yī)生可以輕松快速地在身體的多個(gè)部位進(jìn)行測(cè)量，獲得局部和全局的視角。由于我們可以將紋身貼在任何地方，我們可以從主要?jiǎng)用}獲得測(cè)量結(jié)果，否則用今天的工具很難達(dá)到，例如頸部的頸動(dòng)脈。GETs還提供了極快的電氣測(cè)量讀數(shù)。我們相信，我們可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)將生物阻抗測(cè)量與動(dòng)脈硬化和斑塊相關(guān)聯(lián)——這只是進(jìn)行一系列定制實(shí)驗(yàn)和收集必要數(shù)據(jù)的問題。
使用GETs進(jìn)行這些測(cè)量將使研究人員能夠更深入地了解動(dòng)脈硬化和斑塊堆積與高血壓發(fā)展的關(guān)系。在大規(guī)模人群中長(zhǎng)期跟蹤這些信息將有助于臨床醫(yī)生了解最終導(dǎo)致主要心臟病的問題——也許還能幫助他們找到預(yù)防這些疾病的方法。

你能從汗水中學(xué)到什么？

在另一個(gè)不同的工作領(lǐng)域，我的實(shí)驗(yàn)室剛剛開始開發(fā)用于汗液生物傳感的石墨烯紋身。當(dāng)人們出汗時(shí)，液體會(huì)將鹽和其他化合物帶到皮膚上，傳感器可以檢測(cè)到健康或疾病的標(biāo)志。我們最初關(guān)注的是皮質(zhì)醇，這是一種與壓力、中風(fēng)和幾種內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂有關(guān)的激素。接下來，我們希望利用我們的紋身來感知汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸鹽、雌激素和炎癥標(biāo)記物。
一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)推出了用于汗液生物傳感的無源或有源電子貼片。被動(dòng)系統(tǒng)使用一種化學(xué)指示劑，當(dāng)它與汗液中的特定成分反應(yīng)時(shí)會(huì)改變顏色。活性電化學(xué)設(shè)備通常使用三個(gè)電極，可以檢測(cè)各種濃度的物質(zhì)，并產(chǎn)生準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但它們需要龐大的電子設(shè)備、電池和信號(hào)處理單元。兩種類型的貼片都使用笨重的微流體室來收集汗液。
在我們獲取汗水的過程中，我們將石墨烯用作晶體管。我們通過添加某些分子，如抗體，來修飾石墨烯的表面，這些分子旨在結(jié)合特定的目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)與抗體相互作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電信號(hào)，然后改變石墨烯晶體管的電阻。該電阻變化被轉(zhuǎn)換成指示目標(biāo)分子的存在和濃度的讀數(shù)。
我們已經(jīng)成功開發(fā)了獨(dú)立的石墨烯生物傳感器，可以檢測(cè)食物毒素，測(cè)量鐵蛋白（一種儲(chǔ)存鐵的蛋白質(zhì)），并區(qū)分新冠肺炎病毒和流感病毒。這些獨(dú)立的傳感器看起來像芯片，我們把它們放在桌面上，在上面滴上液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前，我們正在將這種基于晶體管的傳感方法集成到可穿戴生物傳感器中，這種傳感器可以貼在皮膚上，與汗液直接接觸。
我們還改進(jìn)了吸氣劑，增加了微孔，便于水分運(yùn)輸，這樣汗水就不會(huì)積聚在吸氣劑下面，干擾其功能。現(xiàn)在，我們正在努力確保足夠的汗液從汗腺導(dǎo)管進(jìn)入紋身，以便目標(biāo)物質(zhì)可以與石墨烯發(fā)生反應(yīng)。

石墨烯紋身的未來

要將我們的技術(shù)轉(zhuǎn)化為用戶友好的產(chǎn)品，有一些工程上的挑戰(zhàn)。最重要的是，我們需要弄清楚如何將這些智能電子紋身整合到現(xiàn)有的電子網(wǎng)絡(luò)中。目前，我們必須將get連接到標(biāo)準(zhǔn)電子電路上，以傳輸電流、記錄信號(hào)、傳輸和處理信息。這意味著，紋身者必須連接到一個(gè)微小的計(jì)算芯片，然后無線傳輸數(shù)據(jù)。在未來五到十年，我們希望將電子紋身與智能手表相結(jié)合。
也許20年后，我們將擁有可以與人體軟組織集成的2D電子電路。想象一下嵌入在皮膚中的電子設(shè)備，它們持續(xù)監(jiān)測(cè)與健康相關(guān)的生物標(biāo)志物，并通過微妙、用戶友好的顯示器提供實(shí)時(shí)反饋。這一進(jìn)步將為每個(gè)人提供一種便捷和非侵入性的方式來保持知情和主動(dòng)管理自己的健康，開啟人類自我認(rèn)知的新時(shí)代。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)站