研究背景

現(xiàn)有的可穿戴技術依賴于與人體的物理耦合，以建立光學、流體、熱或機械測量接口。

針對這一挑戰(zhàn)，美國西北大學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備平臺，其核心原理是通過物理“去耦合”，在皮膚表面附近形成一個封閉腔室。通過皮膚逸出或進入的氣化分子流會改變該腔室微環(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。

一個可編程的雙穩(wěn)態(tài)閥門動態(tài)控制腔室與外部環(huán)境的連接狀態(tài)，從而在“開-關”切換中產(chǎn)生瞬態(tài)響應。通過分析傳感器的時間序列數(shù)據(jù)，可以定量推導目標物質(zhì)的進出通量。該系統(tǒng)具備獨特功能，可用于測量人體不同部位的水蒸氣、揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和二氧化碳的通量，這些指標在臨床護理或有害氣體暴露監(jiān)測中具有重要意義。

在健康與糖尿病小鼠的皮膚傷口愈合研究中，以及感染模型的實驗中，設備檢測到的通量變化展現(xiàn)出特征性模式，尤其在設備非接觸式操作避免損傷脆弱組織的情況下，這些變化提供了關鍵的生理信息。

研究亮點

（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)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水蒸氣、揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和二氧化碳等氣體在皮膚表面進出通量的連續(xù)、定量檢測。與傳統(tǒng)需要直接接觸皮膚的可穿戴設備不同，該系統(tǒng)通過一個可動態(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，首次實現(xiàn)了對氣態(tài)物質(zhì)通量的非接觸監(jiān)測。

（2）實驗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。通過對不同時間點的傳感器數(shù)據(jù)進行分析，研究人員成功建立了通量與氣體濃度變化之間的定量關系。

（3）該系統(tǒng)可用于監(jiān)測皮膚屏障功能和體液流失，通過測量水蒸氣通量評估皮膚狀態(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)性有機物和二氧化碳通量監(jiān)測中，設備展示了對內(nèi)源性代謝物和外源性有害物的識別能力，具備環(huán)境暴露評估潛力。

圖文解讀

圖1：用于表皮通量監(jiān)測的皮膚接口系統(tǒng)。

圖2：通過水通量測量監(jiān)測皮膚屏障特性和體液流失。

圖3：揮發(fā)性有機化合物（VOCs）、二氧化碳（CO?）及外源物質(zhì)的表皮通量監(jiān)測。

圖4：用于傷口愈合應用的揮發(fā)性有機化合物與水的外向通量監(jiān)測。

結(jié)論展望

這里介紹的技術在臨床護理中具有廣泛的應用前景，特別是對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體也可以受益于該技術提供的數(shù)據(jù)，用于引導化學或輻射灼傷以及臭氧相關皮膚損傷的分診、治療和監(jiān)測。進一步的工程改進，包括嵌入式敷料形式，能夠通過實現(xiàn)符合皮膚表面但又不會過于緊密的接觸，來增強臨床應用。揮發(fā)性有機化合物（VOCs）和二氧化碳通量的測量也能夠惠及普通人群，幫助控制疾病并監(jiān)測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)具有高化學選擇性的EFS（表皮通量傳感器），用于詳細的傷口愈合診斷或早期檢測影響內(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