Nature子刊：3D打印技術助力可穿戴皮膚氣體分析系統(tǒng)

2025年5月，南極熊獲悉，來自亞利桑那大學的研究團隊在Nature Communications期刊發(fā)表了一項開創(chuàng)性研究，利用3D打印技術開發(fā)了一種可連續(xù)監(jiān)測人體皮膚氣體排放的穿戴設備，題目為Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis。這一創(chuàng)新成果為生物標志物監(jiān)測領域開辟了新方向，展示了3D打印技術在精密醫(yī)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(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(xiàn)實環(huán)境的技術而主要局限于實驗室研究。現(xiàn)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(huán)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(huán)境空氣的傳輸。一個面向腔體(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.已實現(xiàn)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(fā)性有機化合物。

研究內(nèi)容
研究團隊開發(fā)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(chuàng)新技術。該系統(tǒng)通過3D打印的特殊結構，形成了一個允許與環(huán)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(chuàng)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(huán)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(zhì)的非導電設備外殼中，直接印制在生物共生網(wǎng)格結構中。這種無粘合劑的接口設計允許設備持續(xù)運行，無需頻繁更換。

●雙傳感器系統(tǒng)：設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，實現(xiàn)了對汗液排放率、揮發(fā)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�；顒又械男阅鼙憩F(xiàn)DGBS在運動和日�；顒又械男阅鼙憩F(xiàn)：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(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，再進行室外靜態(tài)騎行30分鐘，全程連續(xù)記錄活動數(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進行的一個工作周連續(xù)慢性數(shù)據(jù)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(wǎng)球拍：網(wǎng)球活動。e 食用覆蓋辣醬的食物后的汗液反應�；揖�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(xiàn)出了卓越的性能：

●長期連續(xù)監(jiān)測：與現(xiàn)有的需要3天左右更換的設備不同，這一系統(tǒng)可以連續(xù)運行數(shù)周時間，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。

●高時間分辨率：系統(tǒng)能夠以超過傳統(tǒng)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(shù)實時監(jiān)測：設備能夠同時監(jiān)測汗液排放率、揮發(fā)性有機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)。

●適應真實環(huán)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(nèi)部仍能保持穩(wěn)定的氣體環(huán)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(tài)下的監(jiān)測，結果表明該設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
這項突破性技術為監(jiān)測人體健康狀態(tài)開辟了新途徑，具有廣闊的應用前景，包括個性化醫(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志物，實現(xiàn)更精確的健康狀態(tài)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(jiān)測，優(yōu)化訓練方案和防止脫水。在環(huán)境與健康互動研究中，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(yī)學工程領域的巨大潛力，也為可穿戴健康監(jiān)測技術開辟了全新方向。技術突破了傳統(tǒng)生理監(jiān)測系統(tǒng)的局限性，使得以前只能在實驗室環(huán)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(fā)展，我們可以期待更多基于3D打印的個性化醫(yī)療設備出現(xiàn)，為預防醫(yī)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(jiān)測、代謝紊亂早期檢測以及環(huán)境暴露評估等領域。

這項研究強調(diào)了3D打印技術在解決復雜醫(yī)療設備制造挑戰(zhàn)中的關鍵作用，展現(xiàn)了其在精確結構設計方面的優(yōu)勢，證明了增材制造作為連接創(chuàng)新概念與實用產(chǎn)品之間橋梁的重要性。隨著3D打印技術繼續(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影響。