首款可穿戴设备通过感知皮肤“呼吸”来评估健康状况

First-of-its-kind wearable device gauges health by sensing how skin 'breathes'

美国西北大学的研究人员开发出了首款能够测量皮肤释放和吸收气体的可穿戴设备。通过分析这些气体，该设备为评估皮肤健康提供了全新的方法，包括监测伤口、检测皮肤感染、追踪水分水平、量化有害环境化学物质的暴露量等。

这项新技术包含一系列传感器，可以精确测量温度、水蒸气、二氧化碳（CO2）和挥发性有机化合物（VOCs）的变化，每种气体都能为不同皮肤状况和整体健康提供有价值的见解。

这些气体流入设备内的一个小腔室中，而该腔室悬浮在皮肤上方，并不直接接触皮肤。这种无接触设计对于收集脆弱皮肤的信息而不干扰其组织尤为有用。

这项研究题为《用于监测表皮分子流动的非接触式可穿戴设备》，发表于《自然》杂志上。论文展示了该设备在小型动物和人类中的有效性。

西北大学的John A. Rogers表示：“这款设备是我们实验室研发的可穿戴电子设备的自然进化版，这些设备原本用于收集和分析汗液。”

他补充道：“以前我们通过分析汗液了解佩戴者的整体健康状况，但这种方法需要药物刺激汗腺或暴露于高温潮湿环境中。于是我们开始思考可以从皮肤自然散发的东西有哪些。结果发现从皮肤表面释放出的水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物，能够反映出潜在的生理健康。”

西北大学的Guillermo A. Ameer指出：“这项技术有潜力改变临床护理，特别是针对新生儿、老年人、糖尿病患者及其他皮肤受损的弱势群体。”

“我们的设备之美在于找到了一种全新方法，在不接触伤口、溃疡或擦伤的情况下评估娇嫩皮肤的状态。这是迈向测量气体变化并将其与皮肤状态相关联的第一步。”

被称为皮肤屏障的皮肤最外层是人体抵御外部环境的第一道防线。它通过防止过多水分流失来保持水分，并作为抵御刺激物、细菌和紫外线辐射的屏障。

当皮肤屏障受损时，会导致水分流失增加（称为经皮水分流失或TEWL）、皮肤敏感以及感染和炎症性疾病（如湿疹和牛皮癣）的风险上升。

Feinberg皮肤病学系主任、Walter J. Hamlin皮肤病学教授Amy Paller博士解释说：“皮肤对保护我们免受环境侵害至关重要。这一保护功能的主要元素是皮肤屏障，它主要由紧密交织的蛋白质和脂肪构成，能锁住水分并将刺激物、毒素、微生物和过敏原隔绝在外。”

通过跟踪皮肤释放的水蒸气和其他气体的变化，医疗保健专业人员可以了解患者皮肤屏障的完整性。虽然现有的测量水蒸气损失的技术确实存在，但它们通常是大型笨重的机器，主要用于医院环境。

相比之下，这款紧凑型可穿戴设备旨在帮助医生远程监控患者，并使个人能够在家中掌控自己的皮肤健康。

Paller博士表示：“目前测量皮肤屏障完整性的黄金标准是一种带有探头的大型仪器，需间歇性地触碰皮肤以收集有关经皮水分流失的信息——即水分通过皮肤的流量。一款可以远程、持续或按研究人员设定程序测量经皮水分流失且不会在睡眠时干扰患者的设备是一项重大进步。”

设备工作原理

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、一个电子电路和一块小型可充电电池组成。腔室并不直接接触皮肤，而是悬浮在其上方几毫米处。

Rogers表示：“传统的可穿戴传感器依赖与皮肤的物理接触，这限制了它们在敏感情况下的使用，例如伤口护理或对皮肤脆弱的人群。我们的设备通过在皮肤表面创建一个小的封闭腔室克服了这一限制。”

一个自动阀门打开和关闭腔室的入口，动态控制封闭腔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值。然后，当阀门迅速关闭时，它将气体困在腔室内。随后，一系列传感器测量气体浓度随时间的变化。

Rogers解释说：“如果我们的设备没有集成可编程阀门和实时量化物种进出皮肤通量的时间动态测量方法，系统可能会因周围环境中这些物种浓度的自然变化而混淆。”

“具体而言，如果阀门一直开着，传感器会检测到这些变化——并非由于皮肤相关的原因。另一方面，如果阀门始终关闭，则会干扰自然通量模式，同样无法解释环境因素。对于在潜在危险环境中工作的人员来说，了解有多少危险物质通过皮肤进入体内很有帮助。”

适合伤口护理

通过蓝牙，该设备将数据直接发送到智能手机或平板电脑进行实时监控。这些快速的结果可以帮助医护人员在伤口管理和抗生素使用方面做出更明智且更快的决策。

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，监测这些因素可以帮助护理人员更早、更有信心地检测感染。

Ameer是一位再生工程方法改善伤口愈合方面的专家，他表示：“为伤口开抗生素处方有点像赌博。有时很难判断伤口是否感染了。等到明显时可能已经太晚，患者可能发展成败血症，这是极其危险的。为了避免这种情况，医生通常会开出广谱抗生素。这可能导致抗生素耐药性问题，这是医疗保健领域日益严重的问题。”

“能够密切、持续地监控伤口并在感染早期迹象出现时开具抗生素显然非常重要。”

尽管连续监测对所有类型的伤口都很重要，但对于糖尿病患者尤其关键。Ameer此前已开发出多种策略，包括抗氧化凝胶和再生绷带，用于治疗糖尿病溃疡。

两年前，Ameer与Rogers合作开发了首个瞬态电子绷带，利用电刺激加速伤口愈合。新的可穿戴设备又为这些易感患者避免风险副作用提供了另一种工具。

Ameer表示：“糖尿病溃疡是全球下肢非创伤性截肢的首要原因。有时看起来伤口正在闭合，但皮肤屏障功能并未完全恢复。我们的设备可以精确测量释放的气体，从而提供有关皮肤屏障功能的有用信息。”

评估驱虫剂和乳液效果

这项创新的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，还可能为监测驱虫剂、护肤霜和旨在改善皮肤健康的全身用药的有效性铺平道路。

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，测量这些从皮肤释放的气体可以帮助研究人员理解并可能减轻蚊子的吸引力。

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，从而提供关于皮肤渗透性和屏障功能的见解。

这些数据还可以帮助其他研究人员开发更有效的透皮药物递送系统，监测全身给药治疗皮肤病的效果，并评估化妆品和个人护理产品的安全性。

下一步，西北大学团队计划改进设备的功能，包括添加一个追踪pH值变化的传感器，并开发具有更高化学选择性的气体传感器，以便早期检测器官功能障碍和其他疾病。

Rogers表示：“这种不同寻常的可穿戴平台提供了一种全新的方式来思考和理解皮肤健康。”

“这项技术不仅仅是测量气体和皮肤的相关特性。它是关于预测整体健康状况、预防感染和疾病，并创造一个未来，个性化护理由实时、非侵入性、持续健康追踪推动，形成一套补充传统可穿戴设备参数的新参数。”

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