ノースウェスタン大学が皮膚呼吸を測定するウェアラブルデバイスを発表

電子機器とセンサー インサイダー

長さわずか 2 センチメートル、幅 1.5 センチメートルのこの装置は、チャンバー、一連のセンサー、プログラム可能なバルブ、電子回路、小型の充電式バッテリーで構成されています。チャンバーは皮膚に直接触れるのではなく、皮膚の数ミリメートル上を浮遊します。 (画像:ジョン・ロジャースの提供)

ノースウェスタン大学の研究者は、皮膚から放出され、皮膚に吸収されるガスを測定するための最初のウェアラブルデバイスを開発しました。このデバイスは、これらのガスを分析することで、傷のモニタリング、皮膚感染症の検出、水分補給レベルの追跡、有害な環境化学物質への曝露の定量化など、皮膚の健康状態を評価する新しい方法を提供します。

この新しいテクノロジーは、温度、水蒸気、二酸化炭素 (CO2)、揮発性有機化合物 (VOC) の変化を正確に測定する一連のセンサーで構成されており、それぞれのセンサーがさまざまな皮膚の状態や全体的な健康状態について貴重な洞察を提供します。これらのガスは、実際には皮膚に触れずに皮膚の上に浮かぶデバイス内の小さなチャンバーに流れ込みます。この非接触設計は、デリケートな組織を傷つけることなく、脆弱な皮膚に関する情報を収集するのに特に役立ちます。

この研究は雑誌ネイチャーに掲載されました。 、小動物と人間に対するデバイスの有効性を示しています。

「このデバイスは、汗を収集して分析する私たちの研究室のウェアラブル電子デバイスの自然な進化です」と、この研究を共同主導したノースウェスタン大学のジョン・A・ロジャース氏は述べた。 「その場合、私たちは着用者の全体的な健康状態を知るために汗を分析していました。この方法は便利ではありますが、汗腺の薬理学的刺激や高温多湿の環境への曝露が必要です。私たちは常に自然に発生している皮膚から何を捕捉できるかを考え始めました。皮膚の表面からは、水蒸気、二酸化炭素、揮発性有機化合物など、根底にある生理的健康と相関関係のあるあらゆる種類のものが出てくることがわかりました。」

「この技術は、特に新生児、高齢者、糖尿病患者、皮膚障害のあるその他の人々を含む脆弱な人々に対する臨床ケアを変える可能性を秘めています」と研究の共同主導者であるノースウェスタン大学のギレルモ・A・アメール氏は述べた。 「私たちのデバイスの優れている点は、傷、潰瘍、擦り傷に接触することなく、デリケートな皮膚の状態を評価するまったく新しい方法を見つけたことです。このデバイスは、ガスの変化を測定し、それらの変化を皮膚の状態と相関させるための最初の大きなステップです。」

バイオエレクトロニクスの先駆者であるロジャースは、ノースウェスタン大学の材料科学工学、生体医工学、神経外科のルイス・シンプソン教授とキンバリー・クエリー教授であり、ノースウェスタン大学のマコーミック工学部とフェインバーグ医学部に任命されており、クエリー・シンプソンバイオエレクトロニクス研究所の所長でもあります。アメール氏はダニエル・ヘイル・ウィリアムズ・マコーミック大学生体医工学教授、フェインバーグ大学外科教授、そして高度再生工学センター所長である。ロジャース氏とアメール氏は、ヤン・アンド・マルシア・アッヘンバッハ機械工学教授で土木・環境工学教授の黄永剛氏と共同で研究を主導しました。

皮膚バリアと呼ばれる皮膚の最外層は、外部環境から身体を守る最初の線です。過剰な水分の損失を防ぐことで水分補給を維持し、刺激物、細菌、紫外線に対するバリアとして機能します。皮膚バリアが損なわれると、水分損失（経表皮水分損失または TEWL として知られます）の増加、皮膚の過敏症、感染症、湿疹や乾癬などの炎症状態のリスクが生じる可能性があります。

「皮膚は環境から私たちを守るために非常に重要です」と研究共著者であり、ウォルター・J・ハムリン皮膚科教授であり、フェインバーグ大学皮膚科部長であるエイミー・パラー博士は述べた。 「この保護機能の主な要素は皮膚バリアであり、その主な特徴は、水分の侵入を防ぎ、刺激物、毒素、微生物、アレルゲンの侵入を防ぐ、緻密に織られたタンパク質と脂肪の恐るべき集合体によって特徴付けられます。」

医療専門家は、皮膚からの水蒸気やガスの放出の変化を追跡することで、患者の皮膚バリアの健全性を垣間見ることができます。水蒸気損失を測定する技術は存在しますが、それらは主に病院内に設置される大型で扱いにくい機械です。一方、このコンパクトなウェアラブル デバイスは、医師が患者を遠隔監視し、個人が自宅で自分の皮膚の健康を管理できるように設計されています。

「皮膚バリアの完全性を測定するためのゴールドスタンダードは、断続的に皮膚に接触させて経表皮水分損失、つまり皮膚を通る水の流れに関する情報を収集するプローブを備えた大型の機器です」とパラー氏は述べた。 「睡眠中に患者を混乱させることなく、遠隔から、継続的に、または研究者のプログラムに従って、経皮水分損失を測定できる装置を持つことは、大きな進歩です。」

長さわずか 2 センチメートル、幅 1.5 センチメートルのこの装置は、チャンバー、一連のセンサー、プログラム可能なバルブ、電子回路、小型の充電式バッテリーで構成されています。チャンバーは皮膚に直接触れるのではなく、皮膚の数ミリメートル上を浮遊します。

「従来のウェアラブルセンサーは皮膚との物理的接触に依存しているため、傷のケアや皮膚の弱い人などの敏感な状況での使用が制限されていました」とロジャーズ氏は述べた。 「私たちのデバイスは、皮膚の表面上に小さな密閉されたチャンバーを作成することで、この制限を克服しています。」

自動バルブはこのチャンバーへの入り口を開閉します。これは、密閉されたチャンバーと周囲の外気との間のアクセスを動的に制御する機能です。バルブが開いていると、ガスがチャンバーに流入またはチャンバーから流出し、デバイスがベースライン測定を確立できるようになります。次に、バルブが急速に閉じると、チャンバー内にガスが閉じ込められます。そこから、一連のセンサーが時間の経過に伴うガス濃度の変化を測定します。

「私たちの装置がプログラム可能なバルブと、皮膚から出たり入ったりする種の流動をリアルタイムで定量化するための時間動的測定アプローチを組み込んでいなかったら、周囲の環境で自然に変化する可能性のあるこれらの種の濃度の変化によってシステムが混乱する可能性があります」とロジャーズ氏は述べた。 「バルブが常に開いている場合、センサーはこの種の変化を検出します。これは皮膚に関連するものではありません。一方、バルブが常に閉じている場合、環境要因を考慮できない形で自然の流れパターンが乱されることになります。潜在的に危険な環境で働く労働者にとって、それらの危険な種がどれだけ皮膚から体内に侵入しているかを知ることは役立ちます。」

Bluetooth を使用して、デバイスはリアルタイム監視のためにこれらのデータをスマートフォンまたはタブレットに直接送信します。これらの迅速な結果は、医療従事者が傷の管理や抗生物質の投与について、より多くの情報に基づいて、より迅速に決定を下すのに役立ちます。

水蒸気、CO2、VOC の増加は細菌の増殖と治癒の遅れに関連しているため、これらの要因を監視することは、介護者がより早期に、より確実に感染を検出するのに役立ちます。

「傷に抗生物質を処方するのは、ちょっとした賭けかもしれません」と、傷の治癒を改善するための再生工学的アプローチの専門家であるアミール氏は言う。 「傷が感染しているかどうかを判断するのが難しい場合があります。傷が感染していることが明らかになる頃には手遅れで、患者は非常に危険な敗血症を発症する可能性があります。これを回避するために、医師は広範囲の抗生物質を処方します。それが抗生物質耐性につながる可能性があり、これは医療分野で深刻な問題となっています。傷を綿密に継続的に監視し、感染の初期の兆候で抗生物質を処方できることは、明白かつ重要な関心事です。」

継続的なモニタリングはあらゆる種類の創傷に対して重要ですが、糖尿病患者にとっては特に重要です。アメール氏はこれまでに、糖尿病性潰瘍を治療するための抗酸化ゲルや再生包帯などのさまざまな戦略を開発してきました。ちょうど 2 年前、アミール氏はロジャース氏と協力して、電気刺激を利用して創傷治癒を促進する最初の一時的な電子包帯を作成しました。この新しいウェアラブルは、脆弱な患者が危険な副作用を回避できるようにするためのさらに別のツールを提供します。

「糖尿病性潰瘍は、世界中で下肢切断の非外傷性原因の第一位です」とアミール氏は述べた。 「傷がふさがりつつあるように見えることもありますが、皮膚のバリア機能は完全には回復していません。私たちのデバイスは放出ガスを正確に測定できるため、皮膚のバリア機能に関する有用な情報が得られます。」

この革新的な新技術は、創傷治癒と皮膚の健康について前例のない洞察を提供するだけでなく、皮膚の健康を改善するために設計された虫よけ剤、スキンクリーム、全身薬の有効性を監視する進歩への道を開く可能性もあります。

CO2 と VOC はまさに蚊やその他の害虫を引き寄せるガスです。したがって、皮膚からのこれらの放出を測定することは、研究者が蚊の誘引を理解し、潜在的に軽減するのに役立つ可能性があります。この新しい装置により、皮膚科医とその患者は、ローションやクリームが皮膚に浸透する速度を測定できるようになり、皮膚の透過性やバリア機能についての洞察が得られる可能性がある。これらのデータは、他の研究者がより効果的な経皮薬物送達システムを開発したり、皮膚疾患に対する全身送達薬物の効果を監視したり、化粧品やパーソナルケア製品の安全性を評価したりするのにも役立ちます。

次に、ノースウェスタン大学のチームは、pH レベルの変化を追跡するセンサーの追加や、臓器の機能不全やその他の病気の早期検出のための化学選択性を高めたガスセンサーの開発など、デバイスの機能を改良する予定です。

「この珍しいウェアラブル プラットフォームは、皮膚の健康について考え、理解するための新しい方法を提供します」とロジャース氏は述べています。 「このテクノロジーは、ガスとそれに対応する皮膚の特性を測定するだけではありません。全体的な健康状態を予測し、感染症や病気を予防し、従来のウェアラブルで捕捉できるパラメーターを補完する新しいパラメーターのコレクションを通じた、リアルタイムで非侵襲的で継続的な健康追跡によって個別化されたケアが推進される未来を創造することです。」

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