西北大学推出可穿戴设备来测量皮肤呼吸

电子与传感器内幕

该设备长仅两厘米，宽一厘米半，由一个腔室、一组传感器、一个可编程阀门、一个电子电路和一个小型可充电电池组成。该腔室不是直接接触皮肤，而是悬停在皮肤上方几毫米处。 （图片：约翰·罗杰斯提供）

西北大学的研究人员开发出了第一款可穿戴设备，用于测量皮肤排放和吸收的气体。通过分析这些气体，该设备提供了一种评估皮肤健康的新方法，包括监测伤口、检测皮肤感染、跟踪水合水平、量化有害环境化学物质的暴露等等。

这项新技术由一系列传感器组成，可精确测量温度、水蒸气、二氧化碳 (CO2) 和挥发性有机化合物 (VOC) 的变化，每个传感器都能为各种皮肤状况和整体健康状况提供有价值的见解。这些气体流入设备内的一个小室，该小室悬停在皮肤上方，但实际上并未接触到皮肤。这种非接触式设计对于收集脆弱皮肤的信息特别有用，而不会干扰脆弱的组织。

该研究发表在《自然》杂志上 ，展示了该设备对小动物和人类的功效。

“该设备是我们实验室收集和分析汗液的可穿戴电子设备的自然演变，”该研究的共同领导者、西北大学的约翰·A·罗杰斯 (John A. Rogers) 说。 “在这种情况下，我们通过分析汗液来了解佩戴者的整体健康状况。这种方法虽然有用，但需要对汗腺进行药物刺激或暴露在炎热、潮湿的环境中。我们开始思考我们可以从皮肤中一直自然产生的物质中捕获什么。事实证明，从皮肤表面流出的各种物质——水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物——都可以与潜在的生理健康相关。”

“这项技术有可能改变临床护理，特别是对于弱势群体，包括新生儿、老年人、糖尿病患者和其他皮肤受损的人，”该研究的共同领导者、西北大学的吉列尔莫·阿米尔 (Guillermo A. Ameer) 说。 “我们设备的优点在于，我们找到了一种全新的方法来评估娇嫩皮肤的状态，而无需接触伤口、溃疡或擦伤。该设备是测量气体变化并将这些变化与皮肤状态相关联的第一个重要步骤。”

作为生物电子学先驱，罗杰斯是西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的 Louis Simpson 和 Kimberly Querrey 教授，并在西北大学麦考密克工程学院和 Feinberg 医学院任职，同时也是 Querrey Simpson 生物电子研究所所长。阿米尔是麦考密克大学生物医学工程丹尼尔·黑尔·威廉姆斯教授、范伯格外科教授和高级再生工程中心主任。 Rogers 和 Ameer 与机械工程 Jan 和 Marcia Achenbach 教授兼土木与环境工程教授 Yonggang Huang 共同领导了这项研究。

皮肤的最外层被称为皮肤屏障，是人体抵御外界环境的第一道防线。它通过防止过度失水来保持水分，并充当针对刺激物、细菌和紫外线辐射的屏障。当皮肤屏障受损时，可能会导致水分流失增加（称为经皮水分流失或 TEWL）、皮肤敏感、感染风险以及湿疹和牛皮癣等炎症性疾病。

“皮肤对于保护我们免受环境影响至关重要，”研究合著者、沃尔特·J·哈姆林皮肤病学教授兼范伯格皮肤病学系主任艾米·帕勒博士说。 “这种保护功能的一个主要要素是皮肤屏障，其主要特征是由紧密编织的蛋白质和脂肪组成的强大集合，可以阻挡水分，阻挡刺激物、毒素、微生物和过敏原。”

通过跟踪皮肤水蒸气和气体排放的变化，医疗保健专业人员可以了解患者皮肤屏障的完整性。虽然测量水蒸气损失的技术确实存在，但它们是大型笨重的机器，主要驻留在医院环境中。另一方面，这款紧凑型可穿戴设备旨在帮助医生远程监控患者，并使个人能够在家控制自己的皮肤健康。

“测量皮肤屏障完整性的黄金标准是一台带有探头的大型仪器，间歇性地接触皮肤以收集有关经皮水分流失的信息，或者通过皮肤的水通量，”帕勒说。 “拥有一种可以远程、连续或按照研究人员编程的方式测量经表皮水分流失的设备，并且不会在睡眠期间干扰患者，这是一个重大进步。”

该设备长仅两厘米，宽一厘米半，由一个腔室、一组传感器、一个可编程阀门、一个电子电路和一个小型可充电电池组成。腔室不是直接接触皮肤，而是悬停在皮肤上方几毫米处。

罗杰斯说：“传统的可穿戴传感器依赖于与皮肤的物理接触，这限制了它们在敏感情况下的使用，例如伤口护理或皮肤脆弱的人。” “我们的设备通过在皮肤表面上方创建一个小的封闭室来克服这一限制。”

自动阀门打开和关闭该室的入口，该功能动态控制封闭室与周围环境空气之间的通道。当阀门打开时，气体流入或流出腔室，使设备能够建立基线测量。然后，当阀门快速关闭时，它将气体捕获在室内。从那里，一系列传感器测量气体浓度随时间的变化。

罗杰斯说：“如果我们的设备没有采用可编程阀门和时间动态测量方法来实时量化进出皮肤的物种通量，那么系统可能会因这些物种浓度的变化而受到干扰，而这些物种浓度可能在周围环境中自然变化。” “如果阀门一直打开，传感器就会检测到这些变化，而不是因为与皮肤相关的任何变化。另一方面，如果阀门总是关闭，那么它会以一种无法解释环境因素的方式扰乱通量的自然模式。对于潜在危险环境中的工人来说，了解有多少有害物质通过皮肤进入人体是有帮助的。”

该设备使用蓝牙将这些数据直接发送到智能手机或平板电脑以进行实时监控。这些快速结果可以帮助医护人员在伤口处理和抗生素使用方面做出更明智、更快速的决策。

由于水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物的增加与细菌生长和愈合延迟有关，因此监测这些因素可以帮助护理人员更早、更有信心地发现感染。

“为伤口开抗生素可能有点赌博，”阿米尔说，他是改善伤口愈合的再生工程方法专家。 “有时很难判断伤口是否感染。当情况变得明显时，可能为时已晚，患者可能会患上脓毒症，这是极其危险的。为了避免这种情况，医生会开出多种抗生素。这可能会导致抗生素耐药性，这是医疗保健中一个日益严重的问题。能够密切、持续地监测伤口并在最早出现感染迹象时开出抗生素是一个明显而重要的兴趣。”

虽然持续监测对于所有类型的伤口都很重要，但对于糖尿病患者尤其重要。阿米尔此前开发了多种治疗糖尿病溃疡的策略，包括抗氧化凝胶和再生绷带。就在两年前，阿米尔与罗杰斯合作创造了第一个瞬态电子绷带，它利用电刺激来加速伤口愈合。这款新型可穿戴设备提供了另一种工具来帮助这些脆弱的患者避免危险的副作用。

“糖尿病溃疡是全世界下肢截肢的第一大非创伤性原因，”阿米尔说。 “有时看起来伤口正在闭合，但皮肤屏障功能尚未完全恢复。我们的设备可以精确测量排放的气体，这提供了有关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了前所未有的见解，还可能为监控驱虫剂、护肤霜和旨在改善皮肤健康的全身药物的功效的进展铺平道路。

二氧化碳和挥发性有机化合物正是吸引蚊子和其他害虫的气体。因此，测量皮肤的这些排放物可以帮助研究人员了解并潜在地减轻蚊子的吸引力。新设备还可以让皮肤科医生及其患者测量乳液和面霜渗透皮肤的速度，从而深入了解皮肤的渗透性和屏障功能。这些数据还可以帮助其他研究人员开发更有效的透皮给药系统，监测全身给药对皮肤病的效果，并评估化妆品和个人护理产品的安全性。

接下来，西北大学团队计划完善该设备的功能，包括添加一个传感器来跟踪 pH 水平的变化，并开发具有更高化学选择性的气体传感器，以早期检测器官功能障碍和其他疾病。

“这个不寻常的可穿戴平台提供了一种思考和了解皮肤健康的新方法，”罗杰斯说。 “这项技术不仅仅是测量气体和皮肤的相应特征。它还可以预测整体健康状况，预防感染和疾病，并创造一个未来，通过一系列新的参数来补充传统可穿戴设备可以捕获的参数，通过实时、非侵入性、持续的健康跟踪来驱动个性化护理。”

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