Nature子刊：3D打印技术助力可穿戴皮肤气体分析系统

2025年5月，南极熊获悉，来自亚利桑那大学的研究团队在Nature Communications期刊发表了一项开创性研究，利用3D打印技术开发了一种可连续监测人体皮肤气体排放的穿戴设备，题目为Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis。这一创新成果为生物标志物监测领域开辟了新方向，展示了3D打印技术在精密医疗设备制造中的巨大潜力。



研究背景
当前可穿戴设备技术主要专注于物理、化学和激素性生物标志物的监测，大多将传感器粘贴在皮肤表面。然而由于表皮新陈代谢，传感器设备会在约3天后进行更换。此外，对于收集汗液等生物液体的传感器，其使用时间受到设备捕获容量和传感器生物污染的限制。

皮肤气体排放作为一类潜在的生物标志物，由于缺乏适用于现实环境的技术而主要局限于实验室研究。现有研究通常需要复杂的设备如气相色谱仪，或者需要与皮肤进行气密密封，这使得在日常环境中进行相关实验变得困难或不可能。


△工作原理示意图：a.源自皮肤的气体排放(蓝色)被DBGS腔体(绿色)捕获，腔体具有两层柱状结构，通过被动扩散和最小对流促进气体向环境空气的传输。一个面向腔体(红色)和环境空气(黑色)的双传感器系统捕捉腔体气体与环境气体之间的差异。b.已实现的FDM打印腔体及安装电子元件的实物照片；c .渲染图展示了气体通过表皮组织的扩散过程，这些气体源自血管和汗腺。H₂O 水，CO₂ 二氧化碳，C₂H₆O 乙醇，VOC 挥发性有机化合物。

研究内容
研究团队开发了一种名为"基于扩散的皮肤气体分析"(Wearable continuous diffusion-based skin gas analysis，DBGS)的创新技术。该系统通过3D打印的特殊结构，形成了一个允许与环境进行气体交换的"漏腔"，同时通过差分测量技术，实时分析皮肤排放的气体成分。

关键技术突破包括：
●创新的扩散腔设计：研究团队利用3D打印技术，精确设计了一个特殊结构的气体采集腔。腔体由两层柱状结构组成，通过被动扩散和最小对流促进气体在环境空气中的传输。

●精密制造工艺：研究团队使用立体光刻术(SLA)打印机和UV树脂，以0.16mm的层高精度打印气体传感腔体。高精度3D打印技术使得气体交换率可预测且在真实世界场景中保持一致。

●生物共生集成技术：传感器电子元件被集成到3D打印的热塑性聚氨酯(TPU)材质的非导电设备外壳中，直接印制在生物共生网格结构中。这种无粘合剂的接口设计允许设备持续运行，无需频繁更换。

●双传感器系统：设备采用了一种面向腔体和环境空气的双传感器系统，捕捉腔体和环境气体之间的差异，实现了对汗液排放率、挥发性有机化合物(VOC)和二氧化碳(CO₂)的实时分析。


△DBGS（基于扩散的皮肤气体传感器）在运动和日常活动中的性能表现DGBS在运动和日常活动中的性能表现：a 使用生物共生DGBS测量的举重训练期间的汗液速率，附心率基准比较。b 室内静态骑行30分钟的生物共生DBGS和心率数据，随后休息至停止出汗，再进行室外静态骑行30分钟，全程连续记录活动数据。c 网球比赛期间的DBGS和心率数据。d 使用生物共生DBGS进行的一个工作周连续慢性数据记录，展示汗液速率并用图标标记活动类型。哑铃：举重训练。自行车：骑行活动。鞋子：跑步活动。网球拍：网球活动。e 食用覆盖辣酱的食物后的汗液反应。灰线表示开始食用食物的时间点。f 运动结束后汗液分泌的停止过程。g 表皮热成像捕捉的起床期间过程及相应的汗液速率变化图示。

研究结果
该设备在多项测试中展现出了卓越的性能：

●长期连续监测：与现有的需要3天左右更换的设备不同，这一系统可以连续运行数周时间，无需更换传感器，大大提高了数据收集的连续性和完整性。

●高时间分辨率：系统能够以超过传统方法的时间分辨率记录生物信号，为理解生理过程提供了前所未有的洞察力。在二氧化碳浓度测量中，典型响应时间不到5秒。

●多参数实时监测：设备能够同时监测汗液排放率、挥发性有机化合物和二氧化碳含量等多种参数，提供多维度的生理数据。

●适应真实环境：流体动力学建模显示，即使在30英里/小时的风速下，设计的腔体内部仍能保持稳定的气体环境，确保测量准确性。

●实际应用验证：研究人员在多种实际场景中测试了该设备，包括骑自行车、饮酒后和疲劳状态下的监测，结果表明该设备能够可靠地检测到不同生理状态下的气体排放变化。

研究展望
这项突破性技术为监测人体健康状态开辟了新途径，具有广阔的应用前景，包括个性化医疗监测，能够长期连续监测皮肤气体排放可以为慢性疾病管理提供新的生物标志物，实现更精确的健康状态评估。在运动科学领域，可以对运动员的汗液排放率和气体成分变化进行实时监测，优化训练方案和防止脱水。在环境与健康互动研究中，使得研究环境因素如何影响人体气体排放变得可能，为环境医学研究提供新工具。

研究团队的这项成果展示了3D打印技术在生物医学工程领域的巨大潜力，也为可穿戴健康监测技术开辟了全新方向。技术突破了传统生理监测系统的局限性，使得以前只能在实验室环境中进行的气体分析能够无缝融入日常生活。

随着这项技术的进一步发展，我们可以期待更多基于3D打印的个性化医疗设备出现，为预防医学和精准健康管理带来革命性变化。研究团队正在探索将该技术应用于更多场景，包括睡眠监测、代谢紊乱早期检测以及环境暴露评估等领域。

这项研究强调了3D打印技术在解决复杂医疗设备制造挑战中的关键作用，展现了其在精确结构设计方面的优势，证明了增材制造作为连接创新概念与实用产品之间桥梁的重要性。随着3D打印技术继续发展，我们可以期待更多像这样的突破性医疗解决方案出现，为人类健康和福祉带来深远影响。