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美国西北大学的研究人员开发出了首款可穿戴设备，用于测量皮肤释放和吸收的气体。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、跟踪水合水平、量化暴露于有害环境化学物质等。
美国西北大学的研究人员开发出了首款可穿戴设备，用于测量皮肤释放和吸收的气体。
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、跟踪水合水平、量化暴露于有害环境化学物质等。
这项新技术包括一组传感器，可以精确测量温度、水蒸气、二氧化碳（CO2）和挥发性有机化合物（VOCs）的变化，每个传感器都能对各种皮肤状况和整体健康状况提供有价值的见解。这些气体流入装置内的一个小腔室，该腔室悬浮在皮肤上方，而不实际接触皮肤。这种非接触式设计对于收集有关脆弱皮肤的信息而不干扰脆弱组织特别有用。
这项研究将发表在周三（4月9日）的《自然》杂志上。这篇论文展示了该装置在小动物和人类身上的功效。
“这个设备是我们实验室收集和分析汗液的可穿戴电子设备的自然进化，”西北大学的John a . Rogers说，他是这项研究的共同负责人。“在这种情况下，我们通过分析汗液来了解穿戴者的整体健康状况。这种方法虽然有用，但需要对汗腺进行药理刺激或暴露在炎热潮湿的环境中。我们开始思考我们可以从皮肤上捕捉到什么自然发生的东西。事实证明，皮肤表面有各种各样的东西——水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物——这些都可能与潜在的生理健康有关。”
“这项技术有可能改变临床护理，特别是对弱势群体，包括新生儿、老年人、糖尿病患者和其他皮肤受损的人，”西北大学的Guillermo A. Ameer说，他是这项研究的共同负责人。
“我们设备的美妙之处在于，我们发现了一种全新的方法来评估娇嫩皮肤的状态，而无需接触伤口、溃疡或擦伤。该设备是测量气体变化并将这些变化与皮肤状况联系起来的第一步。”
在家为病人治疗
皮肤的最外层被称为皮肤屏障，是人体抵御外部环境的第一道防线。它通过防止过多的水分流失来维持水合作用，并作为对抗刺激物、细菌和紫外线辐射的屏障。当皮肤屏障受损时，会导致失水（经皮失水或TEWL）增加，皮肤敏感，感染和炎症的风险增加，如湿疹和牛皮癣。
“皮肤对保护我们免受环境影响至关重要这种保护功能的一个主要因素是皮肤屏障，它的主要特点是由一组强大的紧密编织的蛋白质和脂肪组成，这些蛋白质和脂肪可以防止水分进入皮肤，并将刺激物、毒素、微生物和过敏原排除在外。”
通过跟踪皮肤中水蒸气和气体排放的变化，医疗保健专业人员可以一瞥患者皮肤屏障的完整性。虽然测量水蒸气损失的技术确实存在，但它们是大型笨重的机器，主要存在于医院环境中。另一方面，这款小巧的可穿戴设备旨在帮助医生远程监控患者，并使个人能够在家中控制自己的皮肤健康。
帕勒说：“测量皮肤屏障完整性的黄金标准是一个带有探针的大型仪器，该仪器间歇性地接触皮肤，以收集有关经皮失水或通过皮肤的水通量的信息。”“拥有一种可以远程、连续或按研究人员设定的程序测量经皮失水的设备，而不会打扰患者的睡眠，这是一项重大进步。”
设备的工作原理
该装置只有2厘米长，1.5厘米宽，由一个腔室、一组传感器、一个可编程阀门、一个电子电路和一个小型可充电电池组成。这个腔体不是直接接触皮肤，而是悬浮在皮肤上方几毫米处。
“传统的可穿戴传感器依赖于与皮肤的物理接触，限制了它们在敏感情况下的使用，比如伤口护理或皮肤脆弱的人。我们的设备通过在皮肤表面上创建一个小的封闭腔体来克服这一限制。”
一个自动阀门打开和关闭这个腔室的入口，这个功能动态地控制封闭腔室和周围环境空气之间的通道。当阀门打开时，气体流入或流出腔室，使设备能够建立基线测量。然后，当阀门迅速关闭时，它将气体困在腔内。从那里，一系列传感器测量气体浓度随时间的变化。
“如果我们的设备没有集成可编程阀和时间动态测量方法，以实时方式量化物种进出皮肤的通量，那么系统可能会被这些物种浓度的变化所混淆，这些变化可能会在周围环境中自然变化。”
“具体来说，如果瓣膜一直打开，传感器就会检测到这些变化，而不是因为与皮肤有关的任何东西。另一方面，如果阀门总是关闭，那么它就会以一种无法解释环境因素的方式扰乱通量的自然模式。对于处于潜在危险环境中的工作人员来说，了解有多少有害物种通过皮肤进入人体是有帮助的。”
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上进行实时监控。这些快速的结果可以帮助卫生保健工作者在伤口处理和使用抗生素方面做出更明智和更快的决定。
由于水蒸气、二氧化碳和挥发性有机化合物的增加与细菌生长和愈合延迟有关，监测这些因素可以帮助护理人员更早、更有信心地发现感染。
“给伤口开抗生素有点像赌博，有时很难判断伤口是否感染。当它变得明显时，可能已经太晚了，病人可能会患上败血症，这是非常危险的。为了避免这种情况，医生开了多种抗生素。这可能导致抗生素耐药性，这是医疗保健领域一个日益严重的问题。能够密切、持续地监测伤口，并在感染的最早迹象时开抗生素，是一个明显而重要的兴趣。”
虽然持续监测对所有类型的伤口都很重要，但对糖尿病患者尤为重要。Ameer之前已经开发了各种策略，包括抗氧化凝胶和再生绷带，用于治疗糖尿病溃疡。就在两年前，Ameer与Rogers合作创造了第一种瞬态电子绷带，它使用电刺激来加速伤口愈合。新的可穿戴设备提供了另一种工具来帮助这些脆弱的病人避免危险的副作用。
“糖尿病溃疡是世界范围内导致下肢截肢的头号非创伤性原因，”Ameer说。“有时看起来伤口正在愈合，但皮肤的屏障功能并没有完全恢复。我们的设备可以精确测量排放的气体，从而提供有关皮肤屏障功能的有用信息。”
评估驱虫剂、乳液的功效
这项创新的新技术不仅为伤口愈合和皮肤健康提供了前所未有的见解，还可能为监测驱虫剂、护肤霜和旨在改善皮肤健康的全身药物的功效铺平道路。
二氧化碳和挥发性有机化合物正是吸引蚊子和其他害虫的气体。因此，测量皮肤的这些排放物可以帮助研究人员了解并潜在地减轻蚊子的吸引力。这种新设备还可以让皮肤科医生和他们的病人测量乳液和面霜渗透皮肤的速度，从而深入了解皮肤的渗透性和屏障功能。这些数据还可以帮助其他研究人员开发更有效的经皮给药系统，监测系统给药对皮肤病的影响，以及评估化妆品和个人护理产品的安全性。
接下来，西北大学的研究小组计划完善该设备的功能，包括增加一个传感器来跟踪pH值的变化，并开发具有更高化学选择性的气体传感器，以早期检测器官功能障碍和其他疾病。
“这个不寻常的可穿戴平台提供了一种思考和理解皮肤健康的新方法。”“这项技术不仅仅是测量气体和皮肤的相应特征。它是关于预测整体健康，预防感染和疾病，并创造一个个性化护理的未来，通过实时，非侵入性，持续的健康跟踪，通过一系列新的参数来补充传统可穿戴设备可以捕获的参数。”
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