西北大學的研究人員開發了第一款能夠測量皮膚釋放和吸收的氣體的可穿戴設備。透過分析這些氣體，該設備引入了一種評估皮膚健康的新方法。它可以監測傷口癒合情況、檢測感染、追蹤水分含量，並測量有害環境化學物質的暴露情況，以及其他應用。

首款透過感知皮膚氣體進出來監測健康狀況的穿戴式裝置。圖片來源：John A. Rogers/西北大學

該設備使用一系列感測器來檢測溫度、水蒸氣、二氧化碳(CO₂) 和揮發性有機化合物(VOC) 的變化——每種感測器都能提供不同皮膚狀況和整體健康狀況的寶貴資訊。這些氣體被直接導入位於皮膚正上方的一個小腔體，無需接觸皮膚。這種非接觸式設計尤其適用於監測敏感或受損肌膚，且不會造成刺激。

該研究最近發表在《自然》雜誌。論文證明了該設備對小動物和人類的有效性。

「這款設備是我們實驗室穿戴式電子設備的自然演進，該設備用於收集和分析汗液，」西北大學的約翰·A·羅傑斯（John A. Rogers）說道，他是這項研究的共同負責人。 「在那個案例中，我們分析汗水是為了了解佩戴者的整體健康狀況。雖然這種方法很有用，但它需要用藥物刺激汗腺，或者暴露在炎熱潮濕的環境中。我們開始思考，我們能從皮膚中捕捉到哪些始終自然產生的物質。事實證明，皮膚表面會釋放各種各樣的物質——水蒸氣、二氧化碳和揮發性有機化合物——它們都與潛在的生理健康化合物相關。

首款透過感知皮膚氣體進出來監測健康狀況的穿戴式裝置。圖片來源：John A. Rogers/西北大學

「這項技術有可能改變臨床護理，特別是對於脆弱人群，包括新生兒、老年人、糖尿病患者以及其他皮膚受損的人群，」該研究的共同負責人、西北大學的吉列爾莫·A·阿米爾（Guillermo A. Ameer）說。 “我們設備的妙處在於，我們找到了一種全新的方法來評估嬌嫩皮膚的狀況，而無需接觸傷口、潰瘍或擦傷。該設備是朝著測量氣體變化並將這些變化與皮膚狀況關聯起來邁出的第一步。”

羅傑斯是生物電子學領域的先驅，現任西北大學材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授（Louis Simpson and Kimberly Querrey Professor），並在西北大學麥考密克工程學院和范伯格醫學院任職，同時擔任奎雷·辛普森生物電子學研究所所長。阿米爾是麥考密克工程學院丹尼爾·黑爾·威廉斯生物醫學工程教授、范伯格醫學院外科教授，也是新成立的西北大學奎雷·辛普森再生工程研究所（QSI RENU）的創始主任。羅傑斯和阿米爾與機械工程系簡和瑪西婭·阿肯巴赫教授兼土木與環境工程教授黃永剛共同領導了這項研究。

皮膚最外層稱為皮膚屏障，是人體抵禦外界環境的第一道防線。它透過防止水分過度流失來保持水分，並充當抵禦刺激物、細菌和紫外線輻射的屏障。當皮膚屏障受損時，會導致水分流失增加（稱為經表皮失水，TEWL）、皮膚敏感，以及感染和發炎（如濕疹和牛皮癬）的風險。

動畫展示了裝置的橫截面，讓人們得以一窺其內部運作。圖片來源：John A. Rogers/西北大學

「皮膚對於保護我們免受環境侵害至關重要，」該研究的共同作者、范伯格大學沃爾特·J·哈姆林皮膚病學教授兼皮膚病學系主任艾米·帕勒博士說。 “這種保護功能的一個重要組成部分是皮膚屏障，它的主要特點是緊密交織的蛋白質和脂肪，可以鎖住水分，阻擋刺激物、毒素、微生物和過敏原。”

透過追蹤皮膚水蒸氣和氣體釋放的變化，醫療保健專業人員可以了解患者皮膚屏障的完整性。雖然測量水蒸氣流失的技術確實存在，但它們體積龐大、笨重，主要集中在醫院環境中。而這款緊湊型穿戴裝置旨在幫助醫生遠端監控患者，並幫助個人在家中掌控自身的皮膚健康。

「測量皮膚屏障完整性的黃金標準是一台大型儀器，帶有一個探針，可以間歇性地接觸皮膚，收集經表皮水分流失（即皮膚水分的流通量）的信息，」Paller 說。 “擁有一台可以遠端、連續或根據研究人員的設定進行經表皮水分流失測量的設備，並且不會在患者睡眠期間打擾他們，這是一個重大進步。”

設備工作原理

該裝置長僅兩厘米，寬僅一厘米半，由一個腔室、一組感測器、一個可編程閥門、一個電子電路和一個小型可充電電池組成。腔室並非直接接觸皮膚，而是懸浮在皮膚上方幾毫米處。

羅傑斯說：“傳統的可穿戴感測器依賴於與皮膚的物理接觸，這限制了它們在傷口護理或皮膚脆弱等敏感情況下的使用。我們的設備通過在皮膚表面上方創建一個小型封閉腔體來克服這一限制。”

首款透過感知皮膚氣體進出來監測健康狀況的穿戴式裝置。圖片來源：John A. Rogers/西北大學

自動閥門負責打開和關閉該腔室的入口－此功能動態控制封閉腔室與周圍環境空氣之間的通道。當閥門打開時，氣體流入或流出腔室，使設備能夠建立基線測量。然後，當閥門快速關閉時，氣體被困在腔室內。由此，一系列感測器測量氣體濃度隨時間的變化。

「如果我們的設備沒有整合可程式閥門和時間動態測量方法來即時量化物質進出皮膚的流量，那麼系統可能會因這些物質濃度在周圍環境中自然變化而產生幹擾，」羅傑斯說。 「具體來說，如果閥門一直打開，感測器就能檢測到這些變化——這與皮膚無關。另一方面，如果閥門一直關閉，就會擾亂自然的流量模式，而這種擾亂也無法解釋環境因素。對於在潛在危險環境中工作的工作人員來說，了解有多少有害物質通過皮膚進入人體是有幫助的。」

該設備透過藍牙將這些數據直接發送到智慧型手機或平板電腦進行即時監控。這些快速取得的結果可以幫助醫護人員在傷口處理和抗生素使用方面做出更明智、更快速的決策。

由於水蒸氣、二氧化碳和揮發性有機化合物的增加與細菌生長和延遲癒合有關，監測這些因素可以幫助護理人員更早、更有信心地發現感染。

「給傷口開抗生素有點冒險，」艾米爾說道，他是再生工程方法促進傷口癒合的專家。 「有時很難判斷傷口是否感染。等到感染明顯時，可能為時已晚，患者可能會發展成敗血症，這非常危險。為了避免這種情況，醫生會開出各種各樣的抗生素。這可能導致抗生素抗藥性，而抗生素抗藥性是醫療保健中日益嚴重的問題。能夠密切、持續地監測傷口，並在出現感染跡象的最初階段就開出抗生素，顯然重大意義。」

首款透過感知氣體進出皮膚來監測健康狀況的可穿戴設備。一個閥門打開和關閉腔室（此處打開），使氣體進入。圖片來源：John A. Rogers/西北大學

雖然持續監測對所有類型的傷口都很重要，但對糖尿病患者尤其重要。 Ameer 先前已開發出多種治療糖尿病潰瘍的策略，包括抗氧化凝膠和再生繃帶。就在兩年前，Ameer 與羅傑斯公司合作，發明了首款瞬態電子繃帶，利用電刺激加速傷口癒合。這款新型穿戴裝置為這些脆弱的患者提供了另一種工具，避免危險的副作用。

「糖尿病潰瘍是全球範圍內導致下肢截肢的首要非創傷性原因，」Ameer說。 「有時傷口看似正在癒合，但皮膚屏障功能尚未完全恢復。我們的設備可以精確測量釋放的氣體，從而提供有關皮膚屏障功能的有用資訊。”

評估驅蟲劑和驅蟲乳液的功效

這項創新的新技術不僅為傷口癒合和皮膚健康提供了前所未有的見解，還可能為監測驅蟲劑、護膚霜和改善皮膚健康的全身藥物的功效鋪平道路。

二氧化碳和揮發性有機化合物正是吸引蚊子和其他害蟲的氣體。因此，測量皮膚釋放的這些氣體可以幫助研究人員了解並可能減輕蚊子對它們的吸引力。新設備還可以幫助皮膚科醫生及其患者測量乳液和乳霜滲透皮膚的速度，從而深入了解皮膚的滲透性和屏障功能。這些數據還可以幫助其他研究人員開發更有效的透皮給藥系統，監測全身給藥藥物對皮膚病的療效，並評估化妝品和個人護理產品的安全性。

接下來，西北大學的研究小組計劃完善該設備的功能，包括添加一個感測器來追蹤pH 值的變化，以及開發具有更高化學選擇性的氣體感測器，以便早期發現器官功能障礙和其他疾病。

「這個非同尋常的可穿戴平台為思考和理解皮膚健康提供了一種全新的方式，」羅傑斯說。 「這項技術不僅僅是測量氣體和相應的皮膚特徵，它還能預測整體健康狀況，預防感染和疾病，並創造一個個性化護理的未來，通過一系列新的參數來實時、非侵入式、持續的健康追踪，這些參數是對傳統可穿戴設備所捕捉參數的補充。”

編譯自/ ScitechDaily