西北大学推出可穿戴设备测量皮肤“呼吸”气体

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该设备长仅 2 厘米、宽 1.5 厘米，包含腔室、传感器阵列、可编程阀门、电子电路和小型可充电电池。腔室不直接接触皮肤，而是悬浮在皮肤上方几毫米处。（图片：John Rogers 课题组提供）

西北大学研究人员开发出首款可测量皮肤排放和吸收气体的可穿戴设备。通过分析这些气体，设备提供评估皮肤健康的新途径：监测伤口、检测皮肤感染、追踪水合水平、量化有害环境化学物质暴露等。

新技术包含一组传感器，精确测量温度、水蒸气、二氧化碳 (CO2) 和挥发性有机化合物 (VOCs) 的变化，每项指标均能为各种皮肤状况和整体健康提供宝贵洞见。这些气体流入设备内悬浮于皮肤上方的小腔室。这种非接触设计特别适合在不干扰脆弱组织的情况下获取脆弱皮肤信息。

发表于《Nature》期刊的研究证明了该设备在小动物和人体上的有效性。

“该设备是我们实验室可穿戴电子设备收集和分析汗液的自然演进，”西北大学 John A. Rogers 教授表示，“此前我们通过分析汗液了解佩戴者整体健康。但该方法需药理刺激汗腺或暴露于高温高湿环境。我们开始思考皮肤上自然持续产生什么物质。结果发现皮肤表面持续释放水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物，这些均可关联潜在生理健康。”

“这项技术有潜力变革临床护理，特别是对新生儿、老年人、糖尿病患者及皮肤受损人群等弱势群体，”西北大学 Guillermo A. Ameer 教授表示，“我们的设备之美在于找到了一种全新方式，无需接触伤口、溃疡或擦伤即可评估脆弱皮肤状态。这是利用气体变化测量并关联皮肤状态的关键第一步。”

Rogers 教授是生物电子学先驱，任 Louis Simpson 和 Kimberly Querrey 材料科学与工程、生物医学工程和神经外科教授，兼任 McCormick 工程学院和 Feinberg 医学院职位，并领导 Querrey Simpson 生物电子学研究所。Ameer 教授是 Daniel Hale Williams 生物医学工程教授，Feinberg 外科教授，并领导先进再生工程中心。Rogers 和 Ameer 与 Yonggang Huang 教授共同领导研究。

皮肤屏障作为皮肤最外层，是人体抵御外部环境的第一道防线。它通过防止过度水分流失维持水合，并阻挡刺激物、细菌和紫外线。皮肤屏障受损会导致经皮水分流失 (TEWL) 增加、皮肤敏感、感染风险及湿疹、银屑病等炎症性疾病。

“皮肤对保护我们免受环境侵害至关重要，”研究合著者、Feinberg 皮肤科 Walter J. Hamlin 教授 Amy Paller 表示，“这一保护功能的主要元素是皮肤屏障，主要由紧密编织的蛋白质和脂肪组成，锁住水分、阻挡刺激物、毒素、微生物和过敏原。”

通过追踪皮肤排放的水蒸气和气体变化，医护人员可洞察患者皮肤屏障完整性。虽已有测量水分流失的技术，但它们体积庞大、笨重，多局限于医院。紧凑的可穿戴设备旨在帮助医生远程监测患者，并赋能个人在家掌控自身皮肤健康。

“皮肤屏障完整性的金标准测量是大型仪器配探针间歇性接触皮肤以收集经皮水分流失信息，”Paller 表示，“拥有可远程、连续或按方案测量经皮水分流失、且不干扰患者睡眠的设备，是重大进步。”

设备长 2 厘米、宽 1.5 厘米，包含腔室、传感器阵列、可编程阀门、电子电路和小型可充电电池。腔室悬浮于皮肤上方几毫米，不直接接触。

“传统可穿戴传感器依赖与皮肤物理接触，限制了其在伤口护理或脆弱皮肤人群中的应用，”Rogers 说，“我们的设备通过在皮肤表面上方创建小型封闭腔室克服了这一限制。”

自动阀门控制腔室入口开闭，动态调节封闭腔室与周围环境空气的通道。阀门开启时，气体进出腔室，建立基线测量；阀门快速关闭后，气体被困在腔室内，传感器随时间测量气体浓度变化。

“若无可编程阀门和时域动态测量方法实时量化物种进出皮肤的通量，系统会因环境中这些物种浓度自然变化而产生混淆，”Rogers 解释，“若阀门常开，传感器会检测环境变化而非皮肤变化；若常闭，则会扰动自然通量模式，也无法考虑环境因素。对潜在危险环境工作者，了解有害物质通过皮肤进入人体的量很有帮助。”

设备通过蓝牙将数据直接发送至智能手机或平板，实现实时监测。这些快速结果帮助医护人员更快、更明智地做出伤口管理和抗生素给药决策。

因水蒸气、CO2 和 VOCs 增加与细菌生长和愈合延迟相关，监测这些因素可帮助护理人员更早、更自信地检测感染。

“为伤口开抗生素有赌博成分，”再生工程专家 Ameer 表示，“有时难判断伤口是否感染。等到明显时可能已太晚，患者可能发展为败血症，极其危险。为避免此情况，医生常开广谱抗生素，导致抗生素耐药性——医疗界日益严重的问题。能密切持续监测伤口并在感染最早迹象时开抗生素，显然至关重要。”

持续监测对所有伤口类型都重要，对糖尿病患者尤为关键。Ameer 曾开发抗氧化剂凝胶和再生绷带治疗糖尿病溃疡。两年前，Ameer 与 Rogers 合作创造首个瞬态电子绷带，利用电刺激加速愈合。这款新可穿戴设备为脆弱患者避免风险副作用提供又一工具。

“糖尿病溃疡是全球非创伤性下肢截肢的首要原因，”Ameer 说，“有时伤口看似闭合，但皮肤屏障功能未完全恢复。我们的设备能精确测量排放气体，提供皮肤屏障功能的有用信息。”

这项创新技术不仅为伤口愈合和皮肤健康提供前所未有的洞见，还可能为监测驱蚊剂、护肤霜和改善皮肤健康的系统性药物疗效铺平道路。

CO2 和 VOCs 正是吸引蚊虫的气体。测量皮肤排放这些气体有助于研究理解并潜在地缓解蚊虫叮咬。新设备还可让皮肤科医生和患者测量乳液渗透皮肤的速度，洞察皮肤渗透性和屏障功能。这些数据还能帮助开发更有效的经皮给药系统、监测系统给药对皮肤病的影响、评估化妆品和个人护理产品安全性。

下一步，西北团队计划完善设备能力，包括添加 pH 传感器、开发化学选择性更高的气体传感器以早期检测器官功能障碍和其他疾病。

“这一非同寻常的可穿戴平台为思考和理解皮肤健康提供新方式，”Rogers 说，“这项技术不仅关乎测量气体和皮肤相应特征，更关乎预测整体健康、预防感染和疾病，创造一个由实时、无创、持续健康追踪驱动个性化护理的未来，通过补充传统可穿戴设备可捕获参数的新参数集实现。”

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