介绍一项发表于《自然》(Nature) 的可穿戴设备领域突破性研究：“非接触式可穿戴设备用于监测表皮分子通量”
主要作者及发表信息
该研究由来自美国西北大学 (Northwestern University) 的 Jaeho Shin、Joseph Woojin Song、Matthew Thomas Flavin、Seunghee Cho 及 Shupeng Li 等作为共同第一作者，由 Yonggang Huang、Guillermo A. Ameer 及 John A. Rogers 作为通讯作者，联合多家科研机构共同完成。这项成果于 2025 年 4 月 9 日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》(Nature) 的第 640 卷。
研究背景
可穿戴电子设备在健康监测领域发挥着日益重要的作用。然而，现有的可穿戴技术大多依赖于与身体建立物理接触，以此形成光学、流体、热学或机械测量界面。这限制了其在某些特定场景下的应用，特别是对于皮肤脆弱或受损的患者。皮肤作为人体与环境的首要界面，经表皮的水分流失 (Transepidermal Water Loss, TEWL)、挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds, VOCs) 和二氧化碳 (CO2) 等气态分子的流入与流出，与皮肤屏障功能、机体稳态、伤口愈合乃至环境暴露风险密切相关。因此，该研究团队旨在开发一种全新的非接触式测量技术，能够在不直接接触皮肤的情况下，定量监测这些关键表皮分子通量，以弥补现有技术的不足。
研究流程与技术方法
该研究核心是设计并验证一种名为“表皮通量传感器” (Epidermal Flux Sensor, EFS) 的无线、紧凑型可穿戴设备，并围绕其展开了一系列体外、人体及动物模型实验。
设备设计与工作原理：研究团队提出了一种与传统物理耦合相反的“物理解耦”设计。EFS 设备重仅 11 克，由一个紧贴皮肤表面形成密闭腔室的测量室、一个可编程双稳态阀门和一套无线传感与数据采集电路组成。其核心创新在于，通过一个由电磁线圈驱动的可编程双稳态阀门（bistable valve），动态控制测量腔室与周围环境的连通。当阀门打开时，腔室内气体浓度与外界平衡；当阀门在 10 毫秒内快速关闭时，形成一个密闭微气候（microclimate），皮肤向内或向外的气态分子通量将改变此密闭腔室内的分子浓度。通过分析阀门关闭瞬间腔室内传感器记录到的浓度时间变化率 (∂c/∂t|t=0)，即可定量计算出目标分子的自然通量密度 (flux density, f)。研究中建立了一个计算模型，用以补偿测量腔室内时空分布不均及设备本身带来的封闭效应 (occlusive effect)，并通过一个校正系数 (k) 和腔室体积与皮肤面积的比值 (v/s) 来精确计算通量。
水蒸气通量监测：研究首先利用 EFS 监测表皮水蒸气通量 (fw)，这关乎皮肤屏障功能和体液平衡。通过一个等效电阻电路模型，将水蒸气通过表皮（包括 TEWL 和汗液蒸发）及空气层的扩散阻力（diffusive resistance）加以区分。该设备不仅能测量皮肤屏障的固有属性——有效扩散阻力（effective diffusive resistance, rsw ），还能结合皮肤阻抗（skin impedance, rs）传感器，区分无汗、不显性出汗和显性出汗三种状态。在人体实验中，对 5 名健康成人进行 30 次胶带剥离（tape-stripping）部分去除角质层（stratum corneum）后，测得其前臂的初始 rsw 从约 25 ks/m 降至约 7 ks/m，并且监测到 rsw 恢复过程遵循一个约 15.2 天的特征恢复时间，与已知的角质层约 14 天的更新周期一致。此外，在 14 名包含健康及患有银屑病（psoriasis）、特异性皮炎（atopic dermatitis）等皮肤疾病的受试者中，EFS 测量的 fw 值与商用冷凝式仪器 (aquaflux) 的测量结果高度相关 (r = 0.98)。在体液平衡监测方面，研究人员在 3 名受试者的 6 个身体区域同时佩戴 EFS，将区域通量按面积加权估算的总表皮失水量（esum）与精密天平测得的体重损失（body mass loss, bml）进行对比，发现两者之间存在极强的一致性 (r = 0.99)，证明了通过测量少数关键部位即可准确评估全身不显性失水的可行性。
VOCs、CO2 及外源性物质通量监测：该研究还将应用扩展至 VOCs 和 CO2。在皮肤卫生评估中，11 名不同种族的成年人在限制清洗的 5 天内，其腋下的 VOCs 通量 (fvoc) 逐日上升，尤其是在第 3 天出汗后剧增，而在第 4 天清洗后降至接近初始水平，定量揭示了卫生习惯、微生物代谢与皮肤气体散发之间的关系。此外，EFS 还能监测经皮 CO2 通量 (ftco2 )。在环境安全方面，设备可以测量外源性化学物向皮肤内的通量 (fxi )，并以此量化皮肤对外源物质的化学扩散阻力（transepidermal chemical diffusive resistance, rsx ）。研究以乙醇蒸气为例，发现裸露皮肤对乙醇的扩散阻力（rsethanol ）约仅为对水阻力 (rsw ) 的三分之一，而为部分去除角质层的皮肤测量到更高的 rsethanol ，这可能是因为乙醇溶解在了富含脂质的角质层中而非直接渗透。研究还发现，紫外线照射（UVB）会导致小鼠皮肤释放的 VOCs 通量剂量依赖性地增加，这与皮肤组织中氧化损伤标志物 8-OHdG 的升高一致，表明 VOCs 通量可作为紫外线诱导皮肤氧化应激的无创监测指标。
综合性伤口监测应用：研究团队在健康小鼠与 2 型糖尿病小鼠的皮肤创伤模型中，应用 EFS 进行了长期、连续的伤口愈合过程监测。在健康小鼠中，水蒸气通量 (fw) 随着伤口闭合而逐渐恢复至基线；而在糖尿病小鼠中，fw 在伤口已完全闭合后（第 27 天）仍未恢复，其皮肤屏障功能的恢复延迟了约 3 周。通过免疫荧光分析发现，这与伤口闭合后丝聚蛋白（filaggrin, flg）——角质层成熟分化的标志物——的表达延迟有关。同时，健康小鼠的 VOCs 通量在愈合早期的炎症阶段出现短暂升高，而糖尿病小鼠则表现出异常的 VOCs 通量模式。在感染伤口模型中，研究人员发现接种金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）后，伤口的 fvoc 在 2 天内增加了约 100 倍，而经过抗菌治疗后，fvoc 可降至接近对照组水平，并伴随细菌负荷的显著降低（从 210,000 CFU/μl 降至 28,000 CFU/μl）。
结论与研究价值
该研究成功开发了一种全新的非接触式可穿戴传感平台 EFS，通过物理解耦和动态瞬态测量原理，在技术上实现了对表皮多种气态分子流入与流出的定量、连续监测。其科学价值在于，它揭示了水蒸气、VOCs 及 CO2 等表皮分子通量与皮肤屏障功能、炎症反应、角化细胞分化、微生物感染及环境暴露等深层生理和病理过程之间的定量关联。应用价值方面，该技术对于临床护理中的脆弱人群（如婴儿、老年人及皮肤屏障受损的患者）尤为重要，能够在不接触脆弱创面的情况下，为伤口愈合管理、皮肤疾病诊断、体液平衡监测及有害环境暴露评估提供关键决策信息，显示出从临床监护到大众健康管理的广泛应用前景。
研究亮点
该研究的三大亮点紧密相连。首先，核心技术创新是“非接触”与“物理解耦”设计，这与传统可穿戴设备的设计逻辑全然不同，它通过构建可控的皮肤邻近微气候并进行动态测量，完美规避了接触式传感器可能带来的组织损伤和测量干扰问题。其次，应用理念的前沿性在于它实现了从监测单一的物理或电生理信号到监测分子通量，这是一种更为深入和直接的生命活动过程监测，为理解皮肤生理和病理提供了全新窗口。最后，该研究的方法学具有高度的普适性，其计算模型和补偿方案为精准量化各种气体分子通量奠定了基础，未来通过集成对不同化学物质具有高选择性的传感器，这种技术平台有望扩展到特定疾病的早期诊断和更广泛的健康追踪领域。