研究人员开发了第一款可穿戴设备，用于测量从皮肤发出的气体和被皮肤吸收的气体。通过分析这些气体，该设备提供了一种全新的评估皮肤健康的方法，包括监测伤口、检测皮肤感染、跟踪水分水平、量化接触有害环境化学物质的程度等。
西北大学的研究人员开发了第一款可穿戴设备，用于测量从皮肤发出的气体和被皮肤吸收的气体。
通过分析这些气体，该设备提供了一种全新的评估皮肤健康的方法，包括监测伤口、检测皮肤感染、跟踪水分水平、量化接触有害环境化学物质的程度等。
这项新技术由一组传感器组成，能够精确测量温度、水蒸气、二氧化碳（CO2）和挥发性有机化合物（VOCs）的变化，这些参数能为各种皮肤状况和整体健康提供宝贵的见解。这些气体流入设备中的一个小腔室，该腔室悬停在皮肤上方，实际并不接触皮肤。这种非接触的设计特别适合在不打扰脆弱组织的情况下收集有关脆弱皮肤的信息。
这项研究将于周三（4月9日）在《自然》杂志上发表。论文证明了该设备在小动物和人类中的有效性。
“这个设备是我们实验室可穿戴电子设备的自然演变，这些设备收集和分析汗液，”西北大学的约翰·罗杰斯说，他共同领导了这项研究。“在那种情况下，我们分析汗液以了解佩戴者的整体健康。虽然有用，但该方法需要药理刺激汗腺或暴露于炎热潮湿的环境中。我们开始思考我们可以从皮肤中捕获到的自然发生的东西。事实证明，皮肤表面释放出各种东西——水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物——这些都可以与潜在的生理健康相关联。”
“这项技术有潜力改变临床护理，特别是对新生儿、老年人、糖尿病患者和皮肤受损的其他脆弱人群，”西北大学的吉列尔莫·阿梅尔说，他共同领导了这项研究。“我们设备的美妙之处在于，我们找到了一种全新的方式来评估脆弱皮肤的状态，而不必接触伤口、溃疡或擦伤。这个设备是朝着测量气体变化并将这些变化与皮肤状态相关联的第一步。”
作为生物电子学的先驱，罗杰斯是西北大学路易斯·辛普森和金伯利·奎瑞材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的教授，担任西北大学麦考密克工程学院和费恩伯格医学院的教授，以及奎瑞辛普森生物电子学研究所的主任。阿梅尔是麦考密克生物医学工程的丹尼尔·黑尔·威廉姆斯教授，费恩伯格外科教授，以及新成立的奎瑞辛普森再生工程研究所（QSI RENU）的创始主任。罗杰斯和阿梅尔与约翰·黄共同领导了该研究，约翰·黄是机械工程的詹和玛尔西亚·阿肯巴赫教授，同时也是土木与环境工程教授。
赋能患者在家
被称为皮肤屏障，皮肤的最外层是身体抵御外部环境的第一道防线。它通过防止过度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。当皮肤屏障受到损害时，可能导致水分流失增加（称为经表皮水分流失或TEWL）、皮肤敏感，以及感染和湿疹、银屑病等炎症状况的风险。
“皮肤对于保护我们免受环境影响至关重要，”研究共同作者、费恩伯格大学皮肤科的沃尔特·J·哈姆林教授艾米·帕勒博士说。“这种保护功能的一个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，能够保持水分并阻挡刺激物、毒素、微生物和过敏原。”
通过跟踪皮肤水蒸气和气体的排放变化，医疗专业人员可以一窥患者皮肤屏障的完整性。虽然现有测量水蒸气损失的技术，但它们是大型笨重的设备，大多处于医院环境中。另一方面，这种紧凑的可穿戴设备旨在帮助医生远程监控患者，并使个体能够在家中掌控自己的皮肤健康。
“测量皮肤屏障完整性的金标准是一个大型仪器，其探头间歇性地接触皮肤以收集有关经表皮水分流失——即水通过皮肤的流量的信息，”帕勒说。“拥有一个可以远程、持续地或由研究者编程测量经表皮水分流失的设备——而且不会在患者睡眠时打扰他们——是一个重大进展。”
设备的工作原理
该设备长仅2厘米，宽1.5厘米，由一个腔室、一组传感器、一个可编程阀、一个电子电路和一个小型可充电电池组成。腔室并不直接触摸皮肤，而是悬浮在皮肤上方几毫米。
“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，例如伤口护理或对于皮肤脆弱的个体，”罗杰斯说。“我们的设备通过在皮肤表面上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该腔室的入口——这个功能动态控制封闭腔室与周围环境空气间的通行。当阀门打开时，气体将流入或流出腔室，使设备能够建立基线测量。然后，当阀门快速关闭时，它会将气体困在腔室内。随后，传感器系列将测量气体浓度随时间的变化。
“如果我们的设备不结合可编程阀门和时间动态测量方法以实时量化物质的流量进出皮肤，那么系统可能会受到周围环境中这些物质浓度变化的影响，”罗杰斯说。“具体来说，如果阀门一直打开，传感器将检测这些变化——而不是任何与皮肤相关的因素。另一方面，如果阀门始终关闭，就会干扰自然的流量模式，这种方式也无法考虑环境因素。对于在潜在危险环境中的工人，了解有害物质通过皮肤进入体内的程度是有帮助的。”
理想的伤口护理
通过蓝牙，该设备将这些数据直接发送到智能手机或平板电脑进行实时监测。这些快速的结果可以帮助医疗工作者做出更明智且更迅速的伤口管理和抗生素施用决策。
由于水蒸气、CO2和VOCs的增加与细菌生长和愈合延迟相关，因此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。
“给伤口开抗生素处方可能是一种冒险，”阿梅尔说，谁是重生工程方法的专家，以改善伤口愈合。“有时很难判断一个伤口是否被感染。等到明显的时候，可能已经太晚，患者可能会发展为脓毒症，这非常危险。为了避免这种情况，医生会开处方广谱抗生素。这可能导致抗生素耐药性，而抗生素耐药性在医疗保健中是一个日益严重的问题。能够紧密、持续地监测伤口，并在感染的早期迹象出现时开处方抗生素，是一个显而易见且重要的兴趣。”
虽然持续监测对所有类型的伤口都很重要，但对于糖尿病患者来说尤其重要。阿米尔此前开发了多种策略，包括抗氧化凝胶和再生绷带，以治疗糖尿病溃疡。就在两年前，阿米尔与罗杰斯合作，创造了第一款瞬态电子绷带，通过电刺激加速伤口愈合。这种新的可穿戴设备为这些脆弱的患者提供了另一种工具，以帮助他们避免危险的副作用。
“糖尿病溃疡是全球下肢非创伤性截肢的首要原因，”阿米尔说。“有时看起来伤口在愈合，但皮肤屏障功能并没有完全恢复。我们的设备可以准确测量释放的气体，这提供了有关皮肤屏障功能的有用信息。”
评估驱虫剂、乳液的有效性
这项创新的新技术不仅提供了前所未有的伤口愈合和皮肤健康的见解，还可能为监测驱虫剂、护肤霜和系统性药物对皮肤健康的改善效果的进展铺平道路。
CO2和挥发性有机化合物(VOCs)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理解并潜在减轻蚊子的吸引。新设备还可以使皮肤科医生及其患者测量乳液和护肤霜渗透皮肤的速度，这可能提供有关皮肤通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输送系统，监测系统性输送药物对皮肤疾病的影响，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设备的功能，包括添加传感器以跟踪pH水平的变化，并开发具有更高化学选择性的气体传感器，以便早期检测器官功能障碍和其他疾病。
“这个不同寻常的可穿戴平台提供了一种新的方式来思考和理解皮肤健康，”罗杰斯说。“这项技术不仅仅是测量气体及其对应的皮肤特征。它是关于预测整体健康，预防感染和疾病，创造一个未来，在这个未来中，个性化护理是通过新的参数集合驱动的实时、非侵入性、持续的健康追踪，而这些参数补充了传统可穿戴设备捕捉的内容。”
