Nature | 非接触式穿戴传感器，精准追踪皮肤气体通量

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医工学人评论

首次实现了非接触、双向、气体态分子通量的动态监测，为皮肤科学、创面管理与暴露健康提供了崭新诊断维度。

在传统可穿戴设备的世界里，想要“了解”身体，往往需要紧贴皮肤，通过物理接触来获取信号。然而，皮肤其实并不“沉默”——它在持续释放和吸收分子，悄悄记录着我们的健康状态。

近年来，可穿戴生理监测设备快速发展，从最初的心率、温度、电阻信号采集，扩展到汗液、皮肤阻抗、肌电信号等。但绝大多数设备仍依赖于与皮肤的紧密贴合，对敏感皮肤或开放性创面并不适用。

4月9日，Nature期刊发表美国西北大学John A. Rogers团队联合多机构研发出一款新型非接触式表皮分子通量监测平台（Epidermal Flux Sensor, EFS），通过对气体浓度的动态响应进行建模，实现了对水蒸气、VOCs及CO₂等关键生理分子的双向无创检测。

这款名为Epidermal Flux Sensor (EFS) 的设备，通过一个小巧的传感腔室，贴合但不接触皮肤，在其上方形成一个可控微气候环境。腔室内集成了多种传感器，包括水蒸气、挥发性有机化合物（VOCs）和二氧化碳浓度传感器，以及皮肤温度和阻抗监测器。

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封闭腔室 + 快速气阀：非接触测量的核心结构

传统TEWL（经皮水分丢失）设备依赖静态闭合腔室测量水蒸气浓度变化，容易产生累积误差或局部蒸汽饱和。EFS通过一个电控的双稳态电磁阀门快速切换腔室开合状态，形成如图1所示的时间分辨式测量环境：

图1非接触表皮通量传感器的结构与工作原理。包括传感腔、阀门系统、气体与皮肤传感器模块。

设备可精确控制每次气流切断时的瞬态响应（∂cc/∂t），并结合腔体体积与皮肤面积建立数学模型，通量密度的计算公式为：

其中k为修正因子（例如水蒸气k=0.92），V为腔体体积，S为皮肤暴露面积。

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水蒸气通量与皮肤屏障功能定量挂钩

水分通量（fw）由经皮水分丢失（fTEWL）和汗液蒸发（fse）共同组成。研究中，作者构建了一套等效阻抗模型（见图2），用于分离这些成分并估算真实皮肤扩散阻力（Rsw）：

图2基于气体通量估算皮肤屏障功能，并结合电阻抗分析实现汗液蒸发动态识别。

在一项去角质实验中，五位志愿者前臂经过30次贴片剥脱后，皮肤阻力（Rsw）由25 ks·m⁻¹下降至约7 ks·m⁻¹，随后在约15天内恢复，验证了Rsw对屏障损伤恢复过程的高度敏感性。

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挥发性有机物：身体代谢与皮肤微生态的“嗅觉信号”

相比于水蒸气，VOCs的释放更具个体差异性和疾病敏感性。该研究在人群中进行连续五天的皮肤清洁限制试验，记录到腋下部位VOCs释放的显著增加，清洁后即恢复，如图3所示：

图3VOCs用于皮肤卫生、性别差异、环境暴露等情况监测。

此外，通过测量外源乙醇蒸气的“进入通量”，设备还可估算皮肤对化学物质的屏障能力（Rsx），其数值在损伤皮肤上显著下降，反映出皮肤暴露敏感性增强。

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伤口愈合监测：从闭合到真正修复”

该设备在小鼠模型中的伤口愈合应用令人印象深刻。无论是健康组还是糖尿病组，其水蒸气通量（fw）与伤口闭合和屏障恢复（Rsw）的动态变化均有清晰追踪，如图4所示：

图4水蒸气与VOCs联合监测创面恢复与感染状态。

特别是在糖尿病模型中，伤口表面虽然已闭合，但fw仍高于正常值，Rsw未恢复，提示皮肤屏障未完全再建。结合免疫染色分析发现FLG表达水平偏低，进一步验证了通量指标与上皮分化状态之间的相关性。

同时，在细菌感染模型中，VOCs通量于感染发生48小时内突增近百倍，抗菌处理后迅速下降，展现了极高的临床预警价值。

气体生物标志物 + 非接触穿戴 = 下一代皮肤医学工具？

EFS系统代表了一种新型、数据驱动的皮肤健康评估模式。其无创、非接触、实时的特性使其具备进入临床环境的潜力，特别适用于：伤口护理与感染预警（如糖尿病足）；慢性皮肤病状态追踪（如特应性皮炎）；工业暴露环境下的皮肤屏障损伤评估；婴幼儿、老年人等皮肤脆弱人群监护。

尽管该研究仍需在化学分子识别选择性、移动状态下稳定性等方面持续优化，但它已为未来皮肤可穿戴设备的发展提供了坚实基础。

撰文 | 罗虎

审核 | 医工学人理事会