研究背景
現(xiàn)有的可穿戴技術(shù)依賴于與人體的物理耦合，以建立光學(xué)、流體、熱或機(jī)械測(cè)量接口。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士、黃永剛院士、Guillermo A. Ameer教授合作在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“A non-contact wearable device for monitoring epidermal molecular flux”的最新論文。在本研究中，他們提出了一類全新的可穿戴設(shè)備平臺(tái)，其核心原理是通過物理“去耦合”，在皮膚表面附近形成一個(gè)封閉腔室。通過皮膚逸出或進(jìn)入的氣化分子流會(huì)改變?cè)撉皇椅h(huán)境的性質(zhì)，這些變化可通過集成的無線傳感器精確量化。
一個(gè)可編程的雙穩(wěn)態(tài)閥門動(dòng)態(tài)控制腔室與外部環(huán)境的連接狀態(tài)，從而在“開-關(guān)”切換中產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)。通過分析傳感器的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，可以定量推導(dǎo)目標(biāo)物質(zhì)的進(jìn)出通量。該系統(tǒng)具備獨(dú)特功能，可用于測(cè)量人體不同部位的水蒸氣、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和二氧化碳的通量，這些指標(biāo)在臨床護(hù)理或有害氣體暴露監(jiān)測(cè)中具有重要意義。
在健康與糖尿病小鼠的皮膚傷口愈合研究中，以及感染模型的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備檢測(cè)到的通量變化展現(xiàn)出特征性模式，尤其在設(shè)備非接觸式操作避免損傷脆弱組織的情況下，這些變化提供了關(guān)鍵的生理信息。
研究亮點(diǎn)
（1）本研究首次開發(fā)了一種基于非接觸式物理“去耦合”原理的可穿戴皮膚通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水蒸氣、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和二氧化碳等氣體在皮膚表面進(jìn)出通量的連續(xù)、定量檢測(cè)。與傳統(tǒng)需要直接接觸皮膚的可穿戴設(shè)備不同，該系統(tǒng)通過一個(gè)可動(dòng)態(tài)調(diào)控的封閉腔室，利用內(nèi)置無線傳感器記錄微環(huán)境變化，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣態(tài)物質(zhì)通量的非接觸監(jiān)測(cè)。
（2）實(shí)驗(yàn)通過集成可編程雙穩(wěn)態(tài)閥門，在“開放-封閉”狀態(tài)之間切換，形成瞬態(tài)響應(yīng)。通過對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究人員成功建立了通量與氣體濃度變化之間的定量關(guān)系。
（3）該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)皮膚屏障功能和體液流失，通過測(cè)量水蒸氣通量評(píng)估皮膚狀態(tài)，為皮膚病和屏障功能異常提供早期診斷手段。
（4）在揮發(fā)性有機(jī)物和二氧化碳通量監(jiān)測(cè)中，設(shè)備展示了對(duì)內(nèi)源性代謝物和外源性有害物的識(shí)別能力，具備環(huán)境暴露評(píng)估潛力。
圖文解讀
圖1：用于表皮通量監(jiān)測(cè)的皮膚接口系統(tǒng)。
圖2：通過水通量測(cè)量監(jiān)測(cè)皮膚屏障特性和體液流失。
圖3：揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、二氧化碳（CO?）及外源物質(zhì)的表皮通量監(jiān)測(cè)。
圖4：用于傷口愈合應(yīng)用的揮發(fā)性有機(jī)化合物與水的外向通量監(jiān)測(cè)。
結(jié)論展望
這里介紹的技術(shù)在臨床護(hù)理中具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是對(duì)那些皮膚屏障未成熟、受損或衰退的易感人群，如嬰兒、患者和老年人。這些人群以及其他個(gè)體也可以受益于該技術(shù)提供的數(shù)據(jù)，用于引導(dǎo)化學(xué)或輻射灼傷以及臭氧相關(guān)皮膚損傷的分診、治療和監(jiān)測(cè)。進(jìn)一步的工程改進(jìn)，包括嵌入式敷料形式，能夠通過實(shí)現(xiàn)符合皮膚表面但又不會(huì)過于緊密的接觸，來增強(qiáng)臨床應(yīng)用。揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和二氧化碳通量的測(cè)量也能夠惠及普通人群，幫助控制疾病并監(jiān)測(cè)暴露于乙醇以外的有害環(huán)境因子。正如作者所述，未來的發(fā)展可能使得能夠生產(chǎn)具有高化學(xué)選擇性的EFS（表皮通量傳感器），用于詳細(xì)的傷口愈合診斷或早期檢測(cè)影響內(nèi)臟器官的各種疾病。
原文詳情：
Shin, J., Song, J.W., Flavin, M.T. et al. A non-contact wearable device for monitoring epidermal molecular flux. Nature 640, 375–383 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08825-2
來源：奇物論
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