摘要：皮肤是人体最大的器官，负责维持体液稳定，防止水分过度流失，更充当屏障，保护身体免受细菌等外部刺激物的侵害。类似“呼”与“吸”，健康皮肤表面也存在物质的出与进，包括水蒸气、挥发性有机物（VOCs）、二氧化碳（CO2）等，这些物质携带着丰富的健康状况信息。同时，皮
皮肤是人体最大的器官，负责维持体液稳定，防止水分过度流失，更充当屏障，保护身体免受细菌等外部刺激物的侵害。类似“呼”与“吸”，健康皮肤表面也存在物质的出与进，包括水蒸气、挥发性有机物（VOCs）、二氧化碳（CO2）等，这些物质携带着丰富的健康状况信息。同时，皮肤容易受损，慢性且难愈合的伤口会增加感染风险，而病理状态或伤口感染可以通过特定气体物质的释放来监控和诊断。不过，尽管可穿戴设备已经发展了数十年，目前已上市或者正在研究中的健康监测类可穿戴设备大多需要紧贴皮肤，检测脉搏、血氧、生物电信号甚至体液（比如汗液）成分，却很少能够分析皮肤表面的进出气体。
可穿戴设备发展的主要里程碑。图片来源：Nat. Rev. Mater. [1]
近日，美国西北大学John A. Rogers教授、Yonggang Huang教授、Guillermo A. Ameer教授等研究者合作在Nature 杂志上发表论文，开发出一种用于监测皮肤表面进出气态分子的非接触式可穿戴设备。该系统集成高精度传感器，能够实时、持续监测皮肤分子的进出气态分子，包括水蒸气、VOCs、CO2。作为功能验证，研究者将该设备用于研究健康和糖尿病小鼠模型皮肤伤口相关的愈合过程，并检测到了特征性的通量变化。这表明该设备可以实现对皮肤伤口及其愈合过程的动态观察，为临床诊断、皮肤病管理和伤口治疗提供了全新视角，也有助于揭示潜在的病理机制。另外，由于不必紧贴皮肤，该设备避免了对脆弱皮肤组织造成潜在损害。
用于实时监测皮肤伤口的非接触式设备。图片来源：Nature [2]
整个设备约长2厘米、宽1.5厘米，重量仅11克，可连续运行一天以上而无需充电。它由三个主要部分组成：一个传感腔室，用于测量目标分子在腔室内的浓度；一个可编程阀门，用于控制腔室的开闭；以及一套电子系统，负责设备的运行控制、数据采集和无线通信。
非接触式可穿戴设备的结构及原理。图片来源：Northwestern University [3]
腔室悬浮在皮肤上方几毫米处，并不直接接触皮肤。这种非接触式设计尤其适合用于收集伤口等脆弱皮肤区域的信息，同时避免对皮肤组织造成感染。阀门部分由一层电磁线圈构成，通过驱动一个永久磁体圆盘实现腔室的开闭。当阀门打开时，气体可进出腔室，设备由此建立基准读数，并持续监测气体浓度的变化。
监测皮肤气体通量的非接触式系统。图片来源：Nature
通过皮肤表面蒸发的水分，又称经皮水分散失（TEWL），是评估皮肤屏障功能的重要指标。当皮肤屏障受损时，水分散失会增加，从而导致皮肤敏感，并提高感染及炎症性疾病（如湿疹、特应性皮炎、牛皮癣）发生的风险。这款小巧的可穿戴设备能够实时追踪经皮水分散失速率，帮助医生远程监测佩戴者的皮肤健康状况。值得一提的是，设备还能捕捉一些短暂的出汗事件，例如由于情绪刺激引发的水分散失骤增，此类现象最常出现在额头区域，是人体出汗率最高的部位之一。
经皮水分散失测量与皮肤屏障功能监测。图片来源：Nature
皮肤通量中的VOCs主要来自皮肤表面微生物群落，而CO2则源于皮肤呼吸。皮肤清洁不足或存在皮肤病时，棒状杆菌、葡萄球菌等微生物可能异常增殖，进而产生更多的VOCs。研究者连续监测了11位成年人的腋下区域。在前3天不许洗澡的情况下，第3天VOCs通量激增至初始水平的691%；而在第4次清洗后，该通量迅速回落至基线。该实验说明了VOCs的释放与皮肤微生物的增殖密切相关（也说明了……洗澡的重要性……咳咳……）。
同样地，环境中的VOCs也可透过皮肤进入体内，而向内的扩散阻力可以作为衡量皮肤对有害物质的屏障功能的标准。此外，某些外部威胁也会影响皮肤表面物质的进出。例如，紫外线照射会引起VOCs释放量的增加，作为评估环境威胁的量化指标。初步研究还发现，紫外照射后皮肤释放的VOCs包含至少十余种化学成分，显示出其复杂性及皮肤的光化学特性。
对VOCs、CO2测量。图片来源：Nature
该技术适用于监测伤口愈合及评估皮肤健康状况，可通过识别VOCs的变化，预测细菌感染的风险。研究者在健康小鼠和2型糖尿病小鼠的伤口愈合实验中，实时监测伤口处水蒸气与VOCs浓度的变化。结果显示，健康组和糖尿病组小鼠的平均伤口闭合时间分别为13天和27天。然而，健康小鼠的皮肤屏障功能恢复过程与伤口闭合过程基本同步，而糖尿病小鼠即便伤口已闭合，皮肤屏障功能仍未完全恢复，需在后续三周内逐步修复。这一延迟可能与高血糖状态下角质形成细胞分化受损有关。
应用于伤口愈合及皮肤通量监测。图片来源：Nature
除了用于监测伤口愈合过程，该设备还可用于评估驱蚊剂、护肤品等日化产品的效果，为改善皮肤健康和药物使用效果提供支持。此外，研究者还开启脑洞，考虑将该设备用于研究蚊虫行为。CO2和VOCs是吸引蚊虫的关键气体，该设备有望帮助科研人员更深入地理解蚊虫的行为，并探索降低蚊虫吸引力的方法。
医疗健康领域应用场景。图片来源：Nature
“我们曾尝试通过汗液分析来评估佩戴者的整体健康状况，但这通常需要在高温高湿的环境下进行”，John Rogers教授表示，“那么，还有哪些来自皮肤、能够自然持续释放的物质值得我们捕捉呢？研究结果显示，皮肤表面释放出大量与生理状态密切相关的气体。我们的设备在皮肤表面上方构建了一个微型封闭腔室，既避免直接接触脆弱皮肤，又能实现对皮肤进出气体的双向检测”。[3]
John Rogers教授、Guillermo Ameer教授和Yonggang Huang教授（从左向右）。图片来源：Northwestern University [3]
此前，Guillermo Ameer教授曾与Rogers教授合作开发了全球首款“可降解电子绷带”，通过电刺激促进伤口愈合 [4]。关于这次开发的皮肤气体监测设备，他指出，“这项技术有望彻底改变临床护理方式，尤其适用于新生儿、老年人、糖尿病患者等皮肤屏障受损的人群。在临床中，往往难以及时判断伤口是否已发生感染，因而是否使用抗生素就存在不确定性，但等到症状明显时，患者可能已处于危险之中，甚至发展为脓毒症。这款独特的可穿戴设备能对伤口实现持续而精确的监测，使抗生素的使用更有依据，是一次重大的进步”。[3]
A non-contact wearable device for monitoring epidermal molecular flux
Jaeho Shin, Joseph Woojin Song, Matthew Thomas Flavin, Seunghee Cho, Shupeng Li, Ansen Tan, Kyung Rok Pyun, Aaron G Huang, Huifeng Wang, Seongmin Jeong, Kenneth E. Madsen, Jacob Trueb, Mirae Kim, Katelynn Nguyen, Angela Yang, Yaching Hsu, Winnie Sung, Jiwon Lee, Sooyeol Phyo, Ji-Hoon Kim, Anthony Banks, Jan-Kai Chang, Amy S. Paller, Yonggang Huang, Guillermo A. Ameer & John A. Rogers
Nature 2025, 640, 375-383. DOI: 10.1038/s41586-025-08825-2
参考文献：
[1] H. C. Ates, et al. End-to-end design of wearable sensors. Nat. Rev. Mater.2022, 7, 887-907. DOI: 10.1038/s41578-022-00460-x
[2] K. Chen & G. C. Gurtner, Skin wound healing measured remotely through molecular flux. Nature 2025, 640, 321-322. DOI: 10.1038/d41586-025-00906-6
[3] Your skin is breathing. This new wearable device can measure it.
[4] J. W. Song et al. ,Bioresorbable, wireless, and battery-free system for electrotherapy and impedance sensing at wound sites. Sci. Adv.2023, 9, eade4687. DOI:10.1126/sciadv.ade4687
（本文由小希供稿）
来源：X一MOL资讯