可穿戴透气式皮肤分析仪实现皮肤屏障功能长期可靠监测与环境健康个体化评估

《Nature Communications》：Breathable, wearable skin analyzer for reliable long-term monitoring of skin barrier function and individual environmental health impacts

针对传统皮肤监测设备因汗液积聚、环境干扰和测量频率不足导致的诊断不准确问题，研究人员开发了透气式皮肤健康分析仪（BSA）。该设备通过双稳态执行机构和透气腔室设计，实现了皮肤水合作用（SH）和经皮水分流失（TEWL）的长期精准监测。28天临床试验验证其能有效分析颗粒物（PM）暴露与皮肤屏障健康的相关性，为环境健康影响评估和转化研究提供新工具。

　　

皮肤作为人体最大的器官，不仅承担着保护机体免受病原体和有害物质侵袭的屏障功能，还通过免疫监视机制与环境持续互动。维持健康的皮肤屏障至关重要，而皮肤水合作用（Skin Hydration, SH）和经皮水分流失（Transepidermal Water Loss, TEWL）作为关键生物标志物，被广泛用于皮肤疾病诊断和病因分析。然而，这些参数存在显著的昼夜节律波动——例如特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）患者常在傍晚出现TEWL值升高，使得单次测量难以准确反映皮肤屏障的真实状态。更严峻的是，传统商用设备多为"棒状"设计，无法实现24小时连续监测；而基于问卷调查的主观评估方法则受个体情绪和睡眠干扰影响，数据一致性差。即便近年来出现的可附着式传感器，也因长时间使用后汗液积聚影响皮肤生理状态，导致测量失真。

为解决这些难题，来自韩国Ajou大学、浦项科技大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了创新型研究成果。他们开发出透气式皮肤健康分析仪（Breathable Skin Analyzer, BSA），一种专为长期使用设计的可穿戴设备，能同时精准测量SH和TEWL两项参数。该设备通过巧妙整合透气腔室和双稳态执行机构，既确保了测量时对外界干扰的有效隔离，又能在测量间隙提供充分通风，从根本上解决了汗液积聚的难题。

研究人员采用多项创新技术实现这一突破：首先通过有限元分析（FEA）优化腔室结构与皮肤间的力学相互作用，确保测量时施加恒定压力；利用形状记忆合金（SMA） wires驱动双稳态梁结构，实现腔室开合的精准控制；采用热传递原理测量SH，避免传统电学方法受化妆品、汗液干扰的缺陷；通过封闭腔室法（CCM）测量TEWL，显著提升环境抗干扰能力。设备还配备蓝牙通信模块和250mAh锂电池，支持36小时连续无线操作。临床试验招募3名AD患者和3名健康人进行连续28天监测，所有参与者均签署知情同意书，研究经Seokyeong大学机构审查委员会批准（SKUIRB-2023-01-054）。

设计原理与性能验证

BSA的核心创新在于其透气腔室设计。腔室在测量时封闭以隔离环境干扰，测量后开启促进汗液蒸发。

显示设备包含三个功能模块：执行机构、传感器部分和控制板。SH测量基于瞬态热传递原理，通过加热器和NTC温度传感器获取皮肤热特性参数；TEWL测量则通过腔室内湿度传感器监测水分蒸发速率。

详细展示了传感器结构，实验证实透气设计使水分蒸发率从50.2%提升至81.9%，接近无器件状态的98.6%。

执行机构优化与稳定性

双稳态执行机构采用SMA wires和碳纤维增强聚合物（CFRP）梁结构，仅需在状态切换时消耗能量，适合长期使用。

显示通过优化梁与框架长度差（α）获得2mm作动行程，使用双根0.1mm直径SMA wires使应力低于屈服强度，确保超过2000次循环的稳定操作，平均接触力保持在0.18N。

临床应用与环境健康评估

在28天连续监测中，BSA成功捕获SH和TEWL的昼夜波动规律。通过DBSCAN聚类算法有效识别并剔除因淋浴、出汗等异常情况产生的离群值（Rand指数0.94）。特别重要的是，在AD患者组中，SH与TEWL呈现显著负相关（r=-0.509, p<0.01），而健康对照组无此相关性，证实BSA能精准识别皮肤屏障功能障碍。

研究进一步探索了环境污染物与皮肤健康的关系。在韩国沙尘高发的4月，让受试者同时佩戴BSA和便携式PM传感器监测14天。结果显示TEWL的基线值（MESOR of TEWL, MT）与PM暴露量（PME）呈显著正相关，而传统SCORAD指数因包含主观成分未能显示统计显著性。滞后时间分析发现，当PM暴露达40-80 mg/m3·day时，SH和TEWL在0-3小时内即出现显著变化，表明高浓度PM会立即影响皮肤屏障功能。

基于这些发现，研究人员实施干预措施（佩戴口罩、回家后淋浴），结果显示PM暴露与皮肤参数间的相关性显著减弱，滞后效应消失，证明干预的有效性。

展示了设备佩戴方式和临床测试结果，

则详细呈现了环境因素相关性分析。

这项研究不仅开发了一种革命性的皮肤监测设备，更开创了个体化环境健康评估的新范式。BSA通过解决长期监测中的关键技术瓶颈——汗液积聚、环境干扰和测量一致性——实现了真正有意义的连续皮肤屏障功能评估。其临床验证表明，通过同时监测SH和TEWL的双参数逆相关关系，能更准确诊断皮肤屏障损伤，克服传统单参数评估的局限性。更重要的是，该设备为研究环境污染物（如PM）对皮肤健康的个体化影响提供了量化工具，使个体级环境健康影响评估成为可能。

研究人员也坦诚指出当前研究的局限性：未能充分考虑个体遗传因素对AD的影响，未来需要整合遗传背景等多维度数据。他们提出进一步改进方向：开发针对婴幼儿的迷你aturized设备；集成更多环境传感器（甲醛、二氧化氮）；开展更长期临床研究；结合非侵入性测量方法（如漫反射光谱）；拓展其他生物标志物（表皮丝氨酸浓度、汗液pH值）监测。

这项技术标志着皮肤健康监测从间歇式测量迈向连续量化评估的新时代，不仅为特应性皮炎患者提供个性化管理方案，更为环境健康学研究提供了前所未有的精细数据来源。通过将实验室级测量能力融入日常可穿戴设备，BSA真正实现了"将诊断带回家"的愿景，为预防和环境疾病干预策略制定提供了科学基础。