Nature子刊：3D打印技術(shù)助力可穿戴皮膚氣體分析系統(tǒng)

2025年5月，南極熊獲悉，來自亞利桑那大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊發(fā)表了一項(xiàng)開創(chuàng)性研究，利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種可連續(xù)監(jiān)測人體皮膚氣體排放的穿戴設(shè)備，題目為Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis。這一創(chuàng)新成果為生物標(biāo)志物監(jiān)測領(lǐng)域開辟了新方向，展示了3D打印技術(shù)在精密醫(yī)療設(shè)備制造中的巨大潛力。



研究背景
當(dāng)前可穿戴設(shè)備技術(shù)主要專注于物理、化學(xué)和激素性生物標(biāo)志物的監(jiān)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(shè)備會(huì)在約3天后進(jìn)行更換。此外，對于收集汗液等生物液體的傳感器，其使用時(shí)間受到設(shè)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(biāo)志物，由于缺乏適用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的技術(shù)而主要局限于實(shí)驗(yàn)室研究。現(xiàn)有研究通常需要復(fù)雜的設(shè)備如氣相色譜儀，或者需要與皮膚進(jìn)行氣密密封，這使得在日常環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(lán)色)被DBGS腔體(綠色)捕獲，腔體具有兩層柱狀結(jié)構(gòu)，通過被動(dòng)擴(kuò)散和最小對流促進(jìn)氣體向環(huán)境空氣的傳輸。一個(gè)面向腔體(紅色)和環(huán)境空氣(黑色)的雙傳感器系統(tǒng)捕捉腔體氣體與環(huán)境氣體之間的差異。b.已實(shí)現(xiàn)的FDM打印腔體及安裝電子元件的實(shí)物照片；c .渲染圖展示了氣體通過表皮組織的擴(kuò)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(fā)性有機(jī)化合物。

研究內(nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為"基于擴(kuò)散的皮膚氣體分析"(Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis，DBGS)的創(chuàng)新技術(shù)。該系統(tǒng)通過3D打印的特殊結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)允許與環(huán)境進(jìn)行氣體交換的"漏腔"，同時(shí)通過差分測量技術(shù)，實(shí)時(shí)分析皮膚排放的氣體成分。

關(guān)鍵技術(shù)突破包括：
●創(chuàng)新的擴(kuò)散腔設(shè)計(jì)：研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，精確設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的氣體采集腔。腔體由兩層柱狀結(jié)構(gòu)組成，通過被動(dòng)擴(kuò)散和最小對流促進(jìn)氣體在環(huán)境空氣中的傳輸。

●精密制造工藝：研究團(tuán)隊(duì)使用立體光刻術(shù)(SLA)打印機(jī)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(shù)使得氣體交換率可預(yù)測且在真實(shí)世界場景中保持一致。

●生物共生集成技術(shù)：傳感器電子元件被集成到3D打印的熱塑性聚氨酯(TPU)材質(zhì)的非導(dǎo)電設(shè)備外殼中，直接印制在生物共生網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中。這種無粘合劑的接口設(shè)計(jì)允許設(shè)備持續(xù)運(yùn)行，無需頻繁更換。

●雙傳感器系統(tǒng)：設(shè)備采用了一種面向腔體和環(huán)境空氣的雙傳感器系統(tǒng)，捕捉腔體和環(huán)境氣體之間的差異，實(shí)現(xiàn)了對汗液排放率、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和二氧化碳(CO₂)的實(shí)時(shí)分析。


△DBGS（基于擴(kuò)散的皮膚氣體傳感器）在運(yùn)動(dòng)和日常活動(dòng)中的性能表現(xiàn)DGBS在運(yùn)動(dòng)和日�；顒�(dòng)中的性能表現(xiàn)：a 使用生物共生DGBS測量的舉重訓(xùn)練期間的汗液速率，附心率基準(zhǔn)比較。b 室內(nèi)靜態(tài)騎行30分鐘的生物共生DBGS和心率數(shù)據(jù)，隨后休息至停止出汗，再進(jìn)行室外靜態(tài)騎行30分鐘，全程連續(xù)記錄活動(dòng)數(shù)據(jù)。c 網(wǎng)球比賽期間的DBGS和心率數(shù)據(jù)。d 使用生物共生DBGS進(jìn)行的一個(gè)工作周連續(xù)慢性數(shù)據(jù)記錄，展示汗液速率并用圖標(biāo)標(biāo)記活動(dòng)類型。啞鈴：舉重訓(xùn)練。自行車：騎行活動(dòng)。鞋子：跑步活動(dòng)。網(wǎng)球拍：網(wǎng)球活動(dòng)。e 食用覆蓋辣醬的食物后的汗液反應(yīng)�；揖�表示開始食用食物的時(shí)間點(diǎn)。f 運(yùn)動(dòng)結(jié)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(yīng)的汗液速率變化圖示。

研究結(jié)果
該設(shè)備在多項(xiàng)測試中展現(xiàn)出了卓越的性能：

●長期連續(xù)監(jiān)測：與現(xiàn)有的需要3天左右更換的設(shè)備不同，這一系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)周時(shí)間，無需更換傳感器，大大提高了數(shù)據(jù)收集的連續(xù)性和完整性。

●高時(shí)間分辨率：系統(tǒng)能夠以超過傳統(tǒng)方法的時(shí)間分辨率記錄生物信號(hào)，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(yīng)時(shí)間不到5秒。

●多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測：設(shè)備能夠同時(shí)監(jiān)測汗液排放率、揮發(fā)性有機(jī)化合物和二氧化碳含量等多種參數(shù)，提供多維度的生理數(shù)據(jù)。

●適應(yīng)真實(shí)環(huán)境：流體動(dòng)力學(xué)建模顯示，即使在30英里/小時(shí)的風(fēng)速下，設(shè)計(jì)的腔體內(nèi)部仍能保持穩(wěn)定的氣體環(huán)境，確保測量準(zhǔn)確性。

●實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證：研究人員在多種實(shí)際場景中測試了該設(shè)備，包括騎自行車、飲酒后和疲勞狀態(tài)下的監(jiān)測，結(jié)果表明該設(shè)備能夠可靠地檢測到不同生理狀態(tài)下的氣體排放變化。

研究展望
這項(xiàng)突破性技術(shù)為監(jiān)測人體健康狀態(tài)開辟了新途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景，包括個(gè)性化醫(yī)療監(jiān)測，能夠長期連續(xù)監(jiān)測皮膚氣體排放可以為慢性疾病管理提供新的生物標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)更精確的健康狀態(tài)評(píng)估。在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域，可以對運(yùn)動(dòng)員的汗液排放率和氣體成分變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，優(yōu)化訓(xùn)練方案和防止脫水。在環(huán)境與健康互動(dòng)研究中，使得研究環(huán)境因素如何影響人體氣體排放變得可能，為環(huán)境醫(yī)學(xué)研究提供新工具。

研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果展示了3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的巨大潛力，也為可穿戴健康監(jiān)測技術(shù)開辟了全新方向。技術(shù)突破了傳統(tǒng)生理監(jiān)測系統(tǒng)的局限性，使得以前只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的氣體分析能夠無縫融入日常生活。

隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們可以期待更多基于3D打印的個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)，為預(yù)防醫(yī)學(xué)和精準(zhǔn)健康管理帶來革命性變化。研究團(tuán)隊(duì)正在探索將該技術(shù)應(yīng)用于更多場景，包括睡眠監(jiān)測、代謝紊亂早期檢測以及環(huán)境暴露評(píng)估等領(lǐng)域。

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)在解決復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備制造挑戰(zhàn)中的關(guān)鍵作用，展現(xiàn)了其在精確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，證明了增材制造作為連接創(chuàng)新概念與實(shí)用產(chǎn)品之間橋梁的重要性。隨著3D打印技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，我們可以期待更多像這樣的突破性醫(yī)療解決方案出現(xiàn)，為人類健康和福祉帶來深遠(yuǎn)影響。