Nature子刊：3D打印技術助力可穿戴皮膚氣體分析系統
2025年5月，來自亞利桑那大學的研究團隊在Nature Communications期刊發表了一項開創性研究，利用3D打印技術開發了一種可連續監測人體皮膚氣體排放的穿戴設備，題目為Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis。這一創新成果為生物標志物監測領域開辟了新方向，展示了3D打印技術在精密醫療設備制造中的巨大潛力。
研究背景
當前可穿戴設備技術主要專注于物理、化學和激素性生物標志物的監測，大多將傳感器粘貼在皮膚表面。然而由于表皮新陳代謝，傳感器設備會在約3天后進行更換。此外，對于收集汗液等生物液體的傳感器，其使用時間受到設備捕獲容量和傳感器生物污染的限制。
皮膚氣體排放作為一類潛在的生物標志物，由于缺乏適用于現實環境的技術而主要局限于實驗室研究。現有研究通常需要復雜的設備如氣相色譜儀，或者需要與皮膚進行氣密密封，這使得在日常環境中進行相關實驗變得困難或不可能。
△工作原理示意圖：a.源自皮膚的氣體排放(藍色)被DBGS腔體(綠色)捕獲，腔體具有兩層柱狀結構，通過被動擴散和最小對流促進氣體向環境空氣的傳輸。一個面向腔體(紅色)和環境空氣(黑色)的雙傳感器系統捕捉腔體氣體與環境氣體之間的差異。b.已實現的FDM打印腔體及安裝電子元件的實物照片；c .渲染圖展示了氣體通過表皮組織的擴散過程，這些氣體源自血管和汗腺。H₂O 水，CO₂ 二氧化碳，C₂H₆O 乙醇，VOC 揮發性有機化合物。
研究內容
研究團隊開發了一種名為"基于擴散的皮膚氣體分析"(Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis，DBGS)的創新技術。該系統通過3D打印的特殊結構，形成了一個允許與環境進行氣體交換的"漏腔"，同時通過差分測量技術，實時分析皮膚排放的氣體成分。
關鍵技術突破包括：
●創新的擴散腔設計：研究團隊利用3D打印技術，精確設計了一個特殊結構的氣體采集腔。腔體由兩層柱狀結構組成，通過被動擴散和最小對流促進氣體在環境空氣中的傳輸。
●精密制造工藝：研究團隊使用立體光刻術(SLA)打印機和UV樹脂，以0.16mm的層高精度打印氣體傳感腔體。高精度3D打印技術使得氣體交換率可預測且在真實世界場景中保持一致。
●生物共生集成技術：傳感器電子元件被集成到3D打印的熱塑性聚氨酯(TPU)材質的非導電設備外殼中，直接印制在生物共生網格結構中。這種無粘合劑的接口設計允許設備持續運行，無需頻繁更換。
●雙傳感器系統：設備采用了一種面向腔體和環境空氣的雙傳感器系統，捕捉腔體和環境氣體之間的差異，實現了對汗液排放率、揮發性有機化合物(VOC)和二氧化碳(CO₂)的實時分析。
△DBGS（基于擴散的皮膚氣體傳感器）在運動和日常活動中的性能表現DGBS在運動和日常活動中的性能表現：a 使用生物共生DGBS測量的舉重訓練期間的汗液速率，附心率基準比較。b 室內靜態騎行30分鐘的生物共生DBGS和心率數據，隨后休息至停止出汗，再進行室外靜態騎行30分鐘，全程連續記錄活動數據。c 網球比賽期間的DBGS和心率數據。d 使用生物共生DBGS進行的一個工作周連續慢性數據記錄，展示汗液速率并用圖標標記活動類型。啞鈴：舉重訓練。自行車：騎行活動。鞋子：跑步活動。網球拍：網球活動。e 食用覆蓋辣醬的食物后的汗液反應。灰線表示開始食用食物的時間點。f 運動結束后汗液分泌的停止過程。g 表皮熱成像捕捉的起床期間過程及相應的汗液速率變化圖示。
研究結果
該設備在多項測試中展現出了卓越的性能：
●長期連續監測：與現有的需要3天左右更換的設備不同，這一系統可以連續運行數周時間，無需更換傳感器，大大提高了數據收集的連續性和完整性。
●高時間分辨率：系統能夠以超過傳統方法的時間分辨率記錄生物信號，為理解生理過程提供了前所未有的洞察力。在二氧化碳濃度測量中，典型響應時間不到5秒。
●多參數實時監測：設備能夠同時監測汗液排放率、揮發性有機化合物和二氧化碳含量等多種參數，提供多維度的生理數據。
●適應真實環境：流體動力學建模顯示，即使在30英里/小時的風速下，設計的腔體內部仍能保持穩定的氣體環境，確保測量準確性。
●實際應用驗證：研究人員在多種實際場景中測試了該設備，包括騎自行車、飲酒后和疲勞狀態下的監測，結果表明該設備能夠可靠地檢測到不同生理狀態下的氣體排放變化。
研究展望
這項突破性技術為監測人體健康狀態開辟了新途徑，具有廣闊的應用前景，包括個性化醫療監測，能夠長期連續監測皮膚氣體排放可以為慢性疾病管理提供新的生物標志物，實現更精確的健康狀態評估。在運動科學領域，可以對運動員的汗液排放率和氣體成分變化進行實時監測，優化訓練方案和防止脫水。在環境與健康互動研究中，使得研究環境因素如何影響人體氣體排放變得可能，為環境醫學研究提供新工具。
研究團隊的這項成果展示了3D打印技術在生物醫學工程領域的巨大潛力，也為可穿戴健康監測技術開辟了全新方向。技術突破了傳統生理監測系統的局限性，使得以前只能在實驗室環境中進行的氣體分析能夠無縫融入日常生活。
隨著這項技術的進一步發展，我們可以期待更多基于3D打印的個性化醫療設備出現，為預防醫學和精準健康管理帶來革命性變化。研究團隊正在探索將該技術應用于更多場景，包括睡眠監測、代謝紊亂早期檢測以及環境暴露評估等領域。
這項研究強調了3D打印技術在解決復雜醫療設備制造挑戰中的關鍵作用，展現了其在精確結構設計方面的優勢，證明了增材制造作為連接創新概念與實用產品之間橋梁的重要性。隨著3D打印技術繼續發展，我們可以期待更多像這樣的突破性醫療解決方案出現，為人類健康和福祉帶來深遠影響。
(責任編輯：admin)
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