醫(yī)工學(xué)人評(píng)論

首次實(shí)現(xiàn)了非接觸、雙向、氣體態(tài)分子通量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為皮膚科學(xué)、創(chuàng)面管理與暴露健康提供了嶄新診斷維度。

在傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備的世界里，想要“了解”身體，往往需要緊貼皮膚，通過物理接觸來獲取信號(hào)。然而，皮膚其實(shí)并不“沉默”——它在持續(xù)釋放和吸收分子，悄悄記錄著我們的健康狀態(tài)。

近年來，可穿戴生理監(jiān)測(cè)設(shè)備快速發(fā)展，從最初的心率、溫度、電阻信號(hào)采集，擴(kuò)展到汗液、皮膚阻抗、肌電信號(hào)等。但絕大多數(shù)設(shè)備仍依賴于與皮膚的緊密貼合，對(duì)敏感皮膚或開放性創(chuàng)面并不適用。

4月9日，Nature期刊發(fā)表美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多機(jī)構(gòu)研發(fā)出一款新型非接觸式表皮分子通量監(jiān)測(cè)平臺(tái)（Epidermal Flux Sensor, EFS），通過對(duì)氣體濃度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水蒸氣、VOCs及CO?等關(guān)鍵生理分子的雙向無創(chuàng)檢測(cè)。

這款名為Epidermal Flux Sensor (EFS) 的設(shè)備，通過一個(gè)小巧的傳感腔室，貼合但不接觸皮膚，在其上方形成一個(gè)可控微氣候環(huán)境。腔室內(nèi)集成了多種傳感器，包括水蒸氣、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和二氧化碳濃度傳感器，以及皮膚溫度和阻抗監(jiān)測(cè)器。

1  封閉腔室 + 快速氣閥：非接觸測(cè)量的核心結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)TEWL（經(jīng)皮水分丟失）設(shè)備依賴靜態(tài)閉合腔室測(cè)量水蒸氣濃度變化，容易產(chǎn)生累積誤差或局部蒸汽飽和。EFS通過一個(gè)電控的雙穩(wěn)態(tài)電磁閥門快速切換腔室開合狀態(tài)，形成如圖1所示的時(shí)間分辨式測(cè)量環(huán)境：

圖1非接觸表皮通量傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理。包括傳感腔、閥門系統(tǒng)、氣體與皮膚傳感器模塊。

設(shè)備可精確控制每次氣流切斷時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)（?cc/?t），并結(jié)合腔體體積與皮膚面積建立數(shù)學(xué)模型，通量密度的計(jì)算公式為：

其中k為修正因子（例如水蒸氣k=0.92），V為腔體體積，S為皮膚暴露面積。

2  水蒸氣通量與皮膚屏障功能定量掛鉤

水分通量（fw）由經(jīng)皮水分丟失（fTEWL）和汗液蒸發(fā)（fse）共同組成。研究中，作者構(gòu)建了一套等效阻抗模型（見圖2），用于分離這些成分并估算真實(shí)皮膚擴(kuò)散阻力（Rsw）：

圖2  基于氣體通量估算皮膚屏障功能，并結(jié)合電阻抗分析實(shí)現(xiàn)汗液蒸發(fā)動(dòng)態(tài)識(shí)別。

在一項(xiàng)去角質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，五位志愿者前臂經(jīng)過30次貼片剝脫后，皮膚阻力（Rsw）由25 ks·m?1下降至約7 ks·m?1，隨后在約15天內(nèi)恢復(fù)，驗(yàn)證了Rsw對(duì)屏障損傷恢復(fù)過程的高度敏感性。

3  揮發(fā)性有機(jī) 物：身體代謝與皮膚微生態(tài)的“嗅覺信號(hào)”

相比于水蒸氣，VOCs的釋放更具個(gè)體差異性和疾病敏感性。該研究在人群中進(jìn)行連續(xù)五天的皮膚清潔限制試驗(yàn)，記錄到腋下部位VOCs釋放的顯著增加，清潔后即恢復(fù)，如圖3所示：

圖3VOCs用于皮膚衛(wèi)生、性別差異、環(huán)境暴露等情況監(jiān)測(cè)。

此外，通過測(cè)量外源乙醇蒸氣的“進(jìn)入通量”，設(shè)備還可估算皮膚對(duì)化學(xué)物質(zhì)的屏障能力（Rsx），其數(shù)值在損傷皮膚上顯著下降，反映出皮膚暴露敏感性增強(qiáng)。

4  傷口愈合監(jiān)測(cè)：從閉合到真正修復(fù)

該設(shè)備在小鼠模型中的傷口愈合應(yīng)用令人印象深刻。無論是健康組還是糖尿病組，其水蒸氣通量（fw）與傷口閉合和屏障恢復(fù)（Rsw）的動(dòng)態(tài)變化均有清晰追蹤，如圖4所示：

圖4 水蒸氣與VOCs聯(lián)合監(jiān)測(cè)創(chuàng)面恢復(fù)與感染狀態(tài)。

特別是在糖尿病模型中，傷口表面雖然已閉合，但fw仍高于正常值，Rsw未恢復(fù)，提示皮膚屏障未完全再建。結(jié)合免疫染色分析發(fā)現(xiàn)FLG表達(dá)水平偏低，進(jìn)一步驗(yàn)證了通量指標(biāo)與上皮分化狀態(tài)之間的相關(guān)性。

同時(shí)，在細(xì)菌感染模型中，VOCs通量于感染發(fā)生48小時(shí)內(nèi)突增近百倍，抗菌處理后迅速下降，展現(xiàn)了極高的臨床預(yù)警價(jià)值。

氣體生物標(biāo)志物 + 非接觸穿戴 = 下一代皮膚醫(yī)學(xué)工具？

EFS系統(tǒng)代表了一種新型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的皮膚健康評(píng)估模式。其無創(chuàng)、非接觸、實(shí)時(shí)的特性使其具備進(jìn)入臨床環(huán)境的潛力，特別適用于：傷口護(hù)理與感染預(yù)警（如糖尿病足）；慢性皮膚病狀態(tài)追蹤（如特應(yīng)性皮炎）；工業(yè)暴露環(huán)境下的皮膚屏障損傷評(píng)估；嬰幼兒、老年人等皮膚脆弱人群監(jiān)護(hù)。

盡管該研究仍需在化學(xué)分子識(shí)別選擇性、移動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定性等方面持續(xù)優(yōu)化，但它已為未來皮膚可穿戴設(shè)備的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

END

撰文 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)