西北大学的研究人员开发出了第一款能够测量皮肤释放和吸收的气体的可穿戴设备。通过分析这些气体，该设备引入了一种评估皮肤健康的新方法。它可以监测伤口愈合情况、检测感染、追踪水分含量，并测量有害环境化学物质的暴露情况，以及其他应用。

首款通过感知皮肤气体进出来监测健康状况的可穿戴设备。图片来源：John A. Rogers/西北大学

该设备使用一系列传感器来检测温度、水蒸气、二氧化碳 (CO₂) 和挥发性有机化合物 (VOC) 的变化——每种传感器都能提供关于不同皮肤状况和整体健康状况的宝贵信息。这些气体被直接导入位于皮肤正上方的一个小腔体，无需接触皮肤。这种非接触式设计尤其适用于监测敏感或受损肌肤，且不会造成刺激。

该研究最近发表在《自然》杂志上。论文证明了该设备对小动物和人类的有效性。

“这款设备是我们实验室可穿戴电子设备的自然演进，该设备用于收集和分析汗液，”西北大学的约翰·A·罗杰斯（John A. Rogers）说道，他是这项研究的共同负责人。“在那个案例中，我们分析汗液是为了了解佩戴者的整体健康状况。虽然这种方法很有用，但它需要用药物刺激汗腺，或者暴露在炎热潮湿的环境中。我们开始思考，我们能从皮肤中捕捉到哪些始终自然产生的物质。事实证明，皮肤表面会释放各种各样的物质——水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物——它们都与潜在的生理健康相关。”

首款通过感知皮肤气体进出来监测健康状况的可穿戴设备。图片来源：John A. Rogers/西北大学

“这项技术有可能改变临床护理，特别是对于脆弱人群，包括新生儿、老年人、糖尿病患者以及其他皮肤受损的人群，”该研究的共同负责人、西北大学的吉列尔莫·A·阿米尔（Guillermo A. Ameer）说道。“我们设备的妙处在于，我们找到了一种全新的方法来评估娇嫩皮肤的状况，而无需接触伤口、溃疡或擦伤。该设备是朝着测量气体变化并将这些变化与皮肤状况关联起来迈出的第一步。”

罗杰斯是生物电子学领域的先驱，现任西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授（Louis Simpson and Kimberly Querrey Professor），并在西北大学麦考密克工程学院和范伯格医学院任职，同时担任奎雷·辛普森生物电子学研究所所长。阿米尔是麦考密克工程学院丹尼尔·黑尔·威廉姆斯生物医学工程教授、范伯格医学院外科教授，也是新成立的西北大学奎雷·辛普森再生工程研究所（QSI RENU）的创始主任。罗杰斯和阿米尔与机械工程系简和玛西娅·阿肯巴赫教授兼土木与环境工程教授黄永刚共同领导了这项研究。

皮肤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。它通过防止水分过度流失来保持水分，并充当抵御刺激物、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（称为经表皮失水，TEWL）、皮肤敏感，以及感染和炎症（如湿疹和牛皮癣）的风险。

动画展示了该装置的横截面，让人们得以一窥其内部工作原理。图片来源：John A. Rogers/西北大学

“皮肤对于保护我们免受环境侵害至关重要，”该研究的共同作者、范伯格大学沃尔特·J·哈姆林皮肤病学教授兼皮肤病学系主任艾米·帕勒博士说道。“这种保护功能的一个重要组成部分是皮肤屏障，它的主要特点是紧密交织的蛋白质和脂肪，可以锁住水分，阻挡刺激物、毒素、微生物和过敏原。”

通过追踪皮肤水蒸气和气体释放的变化，医疗保健专业人员可以了解患者皮肤屏障的完整性。虽然测量水蒸气流失的技术确实存在，但它们体积庞大、笨重，主要集中在医院环境中。而这款紧凑型可穿戴设备旨在帮助医生远程监控患者，并帮助个人在家中掌控自身的皮肤健康。

“测量皮肤屏障完整性的黄金标准是一台大型仪器，带有一个探针，可以间歇性地接触皮肤，收集经表皮水分流失（即皮肤水分的流通量）的信息，”Paller 说。“拥有一台可以远程、连续或根据研究人员的设定进行经表皮水分流失测量的设备，并且不会在患者睡眠期间打扰他们，这是一个重大进步。”

设备工作原理

该装置长仅两厘米，宽仅一厘米半，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。腔室并非直接接触皮肤，而是悬浮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，这限制了它们在伤口护理或皮肤脆弱等敏感情况下的使用。我们的设备通过在皮肤表面上方创建一个小型封闭腔体来克服这一限制。”

首款通过感知皮肤气体进出来监测健康状况的可穿戴设备。图片来源：John A. Rogers/西北大学

自动阀门负责打开和关闭该腔室的入口——该功能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。然后，当阀门快速关闭时，气体被困在腔室内。由此，一系列传感器测量气体浓度随时间的变化。

“如果我们的设备没有集成可编程阀门和时间动态测量方法来实时量化物质进出皮肤的流量，那么系统可能会因这些物质浓度在周围环境中自然变化而产生干扰，”罗杰斯说道。“具体来说，如果阀门一直打开，传感器就能检测到这些变化——这与皮肤无关。另一方面，如果阀门一直关闭，就会扰乱自然的流量模式，而这种扰乱也无法解释环境因素。对于在潜在危险环境中工作的工作人员来说，了解有多少有害物质通过皮肤进入人体是有帮助的。”

该设备通过蓝牙将这些数据直接发送到智能手机或平板电脑进行实时监控。这些快速获取的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延迟愈合有关，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。

“给伤口开抗生素有点冒险，”艾米尔说道，他是再生工程方法促进伤口愈合的专家。“有时很难判断伤口是否感染。等到感染明显时，可能为时已晚，患者可能会发展成败血症，这非常危险。为了避免这种情况，医生会开出各种各样的抗生素。这可能导致抗生素耐药性，而抗生素耐药性是医疗保健中日益严重的问题。能够密切、持续地监测伤口，并在出现感染迹象的最初阶段就开出抗生素，显然意义重大。”

首款通过感知气体进出皮肤来监测健康状况的可穿戴设备。一个阀门打开和关闭腔室（此处打开），使气体进入。图片来源：John A. Rogers/西北大学

虽然持续监测对所有类型的伤口都很重要，但对糖尿病患者尤其重要。Ameer 此前已开发出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，Ameer 与罗杰斯公司合作，发明了首款瞬态电子绷带，利用电刺激加速伤口愈合。这款新型可穿戴设备为这些脆弱的患者提供了另一种工具，避免危险的副作用。

“糖尿病溃疡是全球范围内导致下肢截肢的首要非创伤性原因，”Ameer说道。“有时伤口看似正在愈合，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。”

评估驱虫剂和驱虫乳液的功效

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、护肤霜和改善皮肤健康的全身药物的功效铺平道路。

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，测量皮肤释放的这些气体可以帮助研究人员了解并可能减轻蚊子对它们的吸引力。新设备还可以帮助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，监测全身给药药物对皮肤病的疗效，并评估化妆品和个人护理产品的安全性。

接下来，西北大学的研究小组计划完善该设备的功能，包括添加一个传感器来跟踪 pH 值的变化，以及开发具有更高化学选择性的气体传感器，以便早期发现器官功能障碍和其他疾病。

“这个非同寻常的可穿戴平台为思考和理解皮肤健康提供了一种全新的方式，”罗杰斯说道。“这项技术不仅仅是测量气体和相应的皮肤特征，它还能预测整体健康状况，预防感染和疾病，并创造一个个性化护理的未来，通过一系列新的参数来实时、非侵入式、持续的健康追踪，这些参数是对传统可穿戴设备所捕捉参数的补充。”

编译自/ScitechDaily