在傳統可穿戴設備的世界里，想要“了解”身體，往往需要緊貼皮膚，通過物理接觸來獲取信號。然而，皮膚其實并不“沉默”——它在持續釋放和吸收分子，悄悄記錄著我們的健康狀態。

近年來，可穿戴生理監測設備快速發展，從最初的心率、溫度、電阻信號采集，擴展到汗液、皮膚阻抗、肌電信號等。但絕大多數設備仍依賴于與皮膚的緊密貼合，對敏感皮膚或開放性創面并不適用。

4月9日，Nature期刊發表美國西北大學John A. Rogers團隊聯合多機構研發出一款新型非接觸式表皮分子通量監測平臺（Epidermal Flux Sensor, EFS），通過對氣體濃度的動態響應進行建模，實現了對水蒸氣、VOCs及CO?等關鍵生理分子的雙向無創檢測。

這款名為Epidermal Flux Sensor (EFS) 的設備，通過一個小巧的傳感腔室，貼合但不接觸皮膚，在其上方形成一個可控微氣候環境。腔室內集成了多種傳感器，包括水蒸氣、揮發性有機化合物（VOCs）和二氧化碳濃度傳感器，以及皮膚溫度和阻抗監測器。

1.封閉腔室 + 快速氣閥：非接觸測量的核心結構

傳統TEWL（經皮水分丟失）設備依賴靜態閉合腔室測量水蒸氣濃度變化，容易產生累積誤差或局部蒸汽飽和。EFS通過一個電控的雙穩態電磁閥門快速切換腔室開合狀態，形成如圖1所示的時間分辨式測量環境：

圖1 非接觸表皮通量傳感器的結構與工作原理。包括傳感腔、閥門系統、氣體與皮膚傳感器模塊。

設備可精確控制每次氣流切斷時的瞬態響應（∂cc/∂t），并結合腔體體積與皮膚面積建立數學模型，通量密度的計算公式為：

其中k為修正因子（例如水蒸氣k=0.92），V為腔體體積，S為皮膚暴露面積。

2.水蒸氣通量與皮膚屏障功能定量掛鉤

水分通量（fw）由經皮水分丟失（fTEWL）和汗液蒸發（fse）共同組成。研究中，作者構建了一套等效阻抗模型（見圖2），用于分離這些成分并估算真實皮膚擴散阻力（Rsw）：

圖2 基于氣體通量估算皮膚屏障功能，并結合電阻抗分析實現汗液蒸發動態識別。

在一項去角質實驗中，五位志愿者前臂經過30次貼片剝脫后，皮膚阻力（Rsw）由25 ks·m?¹下降至約7 ks·m?¹，隨后在約15天內恢復，驗證了Rsw對屏障損傷恢復過程的高度敏感性。

3.揮發性有機物：身體代謝與皮膚微生態的“嗅覺信號”

相比于水蒸氣，VOCs的釋放更具個體差異性和疾病敏感性。該研究在人群中進行連續五天的皮膚清潔限制試驗，記錄到腋下部位VOCs釋放的顯著增加，清潔后即恢復，如圖3所示：

圖3 VOCs用于皮膚衛生、性別差異、環境暴露等情況監測。

此外，通過測量外源乙醇蒸氣的“進入通量”，設備還可估算皮膚對化學物質的屏障能力（Rsx），其數值在損傷皮膚上顯著下降，反映出皮膚暴露敏感性增強。

4.傷口愈合監測：從閉合到真正修復”

該設備在小鼠模型中的傷口愈合應用令人印象深刻。無論是健康組還是糖尿病組，其水蒸氣通量（fw）與傷口閉合和屏障恢復（Rsw）的動態變化均有清晰追蹤，如圖4所示：

圖4 水蒸氣與VOCs聯合監測創面恢復與感染狀態。

特別是在糖尿病模型中，傷口表面雖然已閉合，但fw仍高于正常值，Rsw未恢復，提示皮膚屏障未完全再建。結合免疫染色分析發現FLG表達水平偏低，進一步驗證了通量指標與上皮分化狀態之間的相關性。

同時，在細菌感染模型中，VOCs通量于感染發生48小時內突增近百倍，抗菌處理后迅速下降，展現了極高的臨床預警價值。

氣體生物標志物 + 非接觸穿戴 = 下一代皮膚醫學工具？

EFS系統代表了一種新型、數據驅動的皮膚健康評估模式。其無創、非接觸、實時的特性使其具備進入臨床環境的潛力，特別適用于：傷口護理與感染預警（如糖尿病足）；慢性皮膚病狀態追蹤（如特應性皮炎）；工業暴露環境下的皮膚屏障損傷評估；嬰幼兒、老年人等皮膚脆弱人群監護。

盡管該研究仍需在化學分子識別選擇性、移動狀態下穩定性等方面持續優化，但它已為未來皮膚可穿戴設備的發展提供了堅實基礎。

撰文 | 羅虎