Northwestern University stellt tragbares Gerät zur Messung der Hautatmung vor

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Das nur zwei Zentimeter lange und eineinhalb Zentimeter breite Gerät besteht aus einer Kammer, einer Reihe von Sensoren, einem programmierbaren Ventil, einem elektronischen Schaltkreis und einer kleinen wiederaufladbaren Batterie. Anstatt die Haut direkt zu berühren, schwebt die Kammer einige Millimeter darüber. (Bild:Mit freundlicher Genehmigung von John Rogers)

Forscher der Northwestern University haben das erste tragbare Gerät zur Messung von Gasen entwickelt, die von der Haut abgegeben und von dieser absorbiert werden. Durch die Analyse dieser Gase bietet das Gerät eine neue Möglichkeit zur Beurteilung der Hautgesundheit, einschließlich der Überwachung von Wunden, der Erkennung von Hautinfektionen, der Verfolgung des Feuchtigkeitsgehalts, der Quantifizierung der Belastung durch schädliche Umweltchemikalien und mehr.

Die neue Technologie umfasst eine Reihe von Sensoren, die Änderungen der Temperatur, des Wasserdampfs, des Kohlendioxids (CO2) und der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) präzise messen und jeweils wertvolle Einblicke in verschiedene Hautzustände und den allgemeinen Gesundheitszustand liefern. Diese Gase strömen in eine kleine Kammer im Gerät, die über der Haut schwebt, ohne diese tatsächlich zu berühren. Dieses berührungslose Design ist besonders nützlich, um Informationen über empfindliche Haut zu sammeln, ohne empfindliches Gewebe zu beeinträchtigen.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht , demonstriert die Wirksamkeit des Geräts bei Kleintieren und Menschen.

„Dieses Gerät ist eine natürliche Weiterentwicklung der tragbaren elektronischen Geräte unseres Labors, die Schweiß sammeln und analysieren“, sagte John A. Rogers von Northwestern, der die Studie mitleitete. „In diesem Fall analysierten wir den Schweiß, um mehr über den allgemeinen Gesundheitszustand des Trägers zu erfahren. Diese Methode ist zwar nützlich, erfordert jedoch eine pharmakologische Stimulation der Schweißdrüsen oder den Kontakt mit einer heißen, feuchten Umgebung. Wir begannen darüber nachzudenken, was wir von der Haut auffangen könnten, was natürlich ständig vorkommt. Es stellte sich heraus, dass von der Hautoberfläche alle möglichen Dinge austreten – Wasserdampf, Kohlendioxid und flüchtige organische Verbindungen –, die mit der zugrunde liegenden physiologischen Gesundheit in Zusammenhang stehen können.“

„Diese Technologie hat das Potenzial, die klinische Versorgung zu verändern, insbesondere für gefährdete Bevölkerungsgruppen, darunter Neugeborene, ältere Menschen, Patienten mit Diabetes und andere mit beeinträchtigter Haut“, sagte Guillermo A. Ameer von Northwestern, der die Studie mitleitete. „Das Schöne an unserem Gerät ist, dass wir eine völlig neue Möglichkeit gefunden haben, den Zustand empfindlicher Haut zu beurteilen, ohne mit Wunden, Geschwüren oder Schürfwunden in Kontakt kommen zu müssen. Dieses Gerät ist der erste große Schritt zur Messung von Gasveränderungen und zur Korrelation dieser Veränderungen mit dem Hautstatus.“

Als Pionier der Bioelektronik ist Rogers Louis-Simpson- und Kimberly-Querrey-Professor für Materialwissenschaften und -technik, Biomedizintechnik und neurologische Chirurgie an der Northwestern University – mit Berufungen an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine der Northwestern University – sowie Direktor des Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Ameer ist Daniel Hale Williams-Professor für Biomedizinische Technik an der McCormick University, Professor für Chirurgie an der Feinberg University und Direktor des Center for Advanced Regenerative Engineering. Rogers und Ameer leiteten die Studie gemeinsam mit Yonggang Huang, Jan und Marcia Achenbach-Professor für Maschinenbau und Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen.

Die äußerste Hautschicht, auch Hautbarriere genannt, ist die erste Verteidigungslinie des Körpers gegenüber der äußeren Umgebung. Es hält die Flüssigkeitszufuhr aufrecht, indem es übermäßigen Wasserverlust verhindert und als Barriere gegen Reizstoffe, Bakterien und ultraviolette Strahlung fungiert. Wenn die Hautbarriere geschwächt ist, kann es zu erhöhtem Wasserverlust (bekannt als transepidermaler Wasserverlust oder TEWL), Hautempfindlichkeit und Infektionsrisiko sowie zu entzündlichen Erkrankungen wie Ekzemen und Psoriasis kommen.

„Die Haut ist entscheidend für den Schutz vor der Umwelt“, sagte Studienmitautorin Dr. Amy Paller, Walter J. Hamlin-Professorin für Dermatologie und Vorsitzende der Abteilung für Dermatologie am Feinberg. „Ein wesentliches Element dieser Schutzfunktion ist die Hautbarriere, die größtenteils durch eine beeindruckende Ansammlung dicht gewebter Proteine und Fette gekennzeichnet ist, die Wasser drinnen und Reizstoffe, Toxine, Mikroben und Allergene fernhält.“

Durch die Verfolgung von Veränderungen in der Emission von Wasserdampf und Gasen aus der Haut können medizinische Fachkräfte einen Einblick in die Integrität der Hautbarrieren ihrer Patienten gewinnen. Es gibt zwar Technologien zur Messung des Wasserdampfverlusts, doch handelt es sich dabei um große, unhandliche Geräte, die größtenteils in Krankenhäusern eingesetzt werden. Das kompakte tragbare Gerät hingegen soll Ärzten dabei helfen, ihre Patienten aus der Ferne zu überwachen und Einzelpersonen in die Lage zu versetzen, die Kontrolle über ihre eigene Hautgesundheit zu Hause zu übernehmen.

„Der Goldstandard zur Messung der Hautbarriereintegrität ist ein großes Instrument mit einer Sonde, die intermittierend mit der Haut in Berührung kommt, um Informationen über den transepidermalen Wasserverlust – oder den Wasserfluss durch die Haut – zu sammeln“, sagte Paller. „Es ist ein großer Fortschritt, ein Gerät zu haben, das den transepidermalen Wasserverlust aus der Ferne, kontinuierlich oder wie vom Forscher programmiert messen kann – und ohne den Patienten im Schlaf zu stören.“

Das nur zwei Zentimeter lange und eineinhalb Zentimeter breite Gerät besteht aus einer Kammer, einer Reihe von Sensoren, einem programmierbaren Ventil, einem elektronischen Schaltkreis und einer kleinen wiederaufladbaren Batterie. Anstatt die Haut direkt zu berühren, schwebt die Kammer einige Millimeter darüber.

„Herkömmliche tragbare Sensoren basieren auf physischem Kontakt mit der Haut, was ihre Verwendung in sensiblen Situationen, wie etwa bei der Wundversorgung oder bei Personen mit empfindlicher Haut, einschränkt“, sagte Rogers. „Unser Gerät überwindet diese Einschränkung, indem es eine kleine, geschlossene Kammer über der Hautoberfläche erzeugt.“

Ein automatisches Ventil öffnet und schließt den Eingang zu dieser Kammer – eine Funktion, die den Zugang zwischen der geschlossenen Kammer und der umgebenden Umgebungsluft dynamisch steuert. Wenn das Ventil geöffnet ist, strömen Gase in die Kammer hinein oder aus dieser heraus, sodass das Gerät eine Basismessung durchführen kann. Wenn sich das Ventil dann schnell schließt, werden Gase in der Kammer eingeschlossen. Von dort aus messen die Sensoren die Veränderungen der Gaskonzentrationen im Laufe der Zeit.

„Wenn unser Gerät nicht über ein programmierbares Ventil und einen zeitdynamischen Messansatz zur Quantifizierung des Flusses von Arten aus und in die Haut in Echtzeit verfügen würde, könnte das System durch Änderungen in den Konzentrationen dieser Arten, die in der Umgebung natürlich variieren könnten, durcheinander geraten“, sagte Rogers. „Wenn das Ventil die ganze Zeit geöffnet wäre, würde der Sensor diese Art von Veränderungen erkennen – und zwar nicht aufgrund irgendetwas, das mit der Haut zusammenhängt. Wenn das Ventil andererseits immer geschlossen wäre, würde es die natürlichen Flussmuster auf eine Weise stören, die auch Umweltfaktoren nicht berücksichtigen könnte. Für Arbeiter in potenziell gefährlichen Umgebungen ist es hilfreich zu wissen, wie viele dieser gefährlichen Spezies über die Haut in den Körper gelangen.“

Über Bluetooth sendet das Gerät diese Daten zur Echtzeitüberwachung direkt an ein Smartphone oder Tablet. Diese schnellen Ergebnisse können dem Gesundheitspersonal helfen, fundiertere und schnellere Entscheidungen zur Wundbehandlung und zur Verabreichung von Antibiotika zu treffen.

Da erhöhte Wasserdampf-, CO2- und VOC-Werte mit Bakterienwachstum und verzögerter Heilung verbunden sind, kann die Überwachung dieser Faktoren Pflegekräften dabei helfen, Infektionen früher und sicherer zu erkennen.

„Die Verschreibung von Antibiotika für Wunden kann ein kleines Wagnis sein“, sagte Ameer, Experte für regenerative technische Ansätze zur Verbesserung der Wundheilung. „Manchmal ist es schwer zu sagen, ob eine Wunde infiziert ist oder nicht. Wenn es offensichtlich wird, kann es zu spät sein und der Patient kann eine Sepsis entwickeln, was unglaublich gefährlich ist. Um dies zu vermeiden, verschreiben Ärzte ein breites Spektrum an Antibiotika. Das kann zu Antibiotikaresistenzen führen, was ein wachsendes Problem im Gesundheitswesen darstellt. Die Möglichkeit, eine Wunde genau und kontinuierlich zu überwachen und beim frühesten Anzeichen einer Infektion ein Antibiotikum zu verschreiben, ist ein offensichtliches und wichtiges Interesse.“

Während eine kontinuierliche Überwachung für alle Arten von Wunden wichtig ist, ist sie für Diabetiker besonders wichtig. Ameer hat bereits verschiedene Strategien zur Behandlung diabetischer Geschwüre entwickelt, darunter antioxidative Gele und regenerative Verbände. Erst vor zwei Jahren entwickelte Ameer gemeinsam mit Rogers den ersten transienten elektronischen Verband, der elektrische Stimulation nutzte, um die Wundheilung zu beschleunigen. Dieses neue tragbare Gerät bietet ein weiteres Hilfsmittel, um diesen gefährdeten Patienten dabei zu helfen, riskante Nebenwirkungen zu vermeiden.

„Diabetische Geschwüre sind weltweit die häufigste nichttraumatische Ursache für Amputationen der unteren Extremitäten“, sagte Ameer. „Manchmal scheint es, als würde sich die Wunde schließen, aber die Hautbarrierefunktion ist noch nicht ganz wiederhergestellt. Unser Gerät kann die ausgestoßenen Gase präzise messen, was nützliche Informationen über die Hautbarrierefunktion liefert.“

Diese innovative neue Technologie bietet nicht nur beispiellose Einblicke in die Wundheilung und die Hautgesundheit, sondern könnte auch den Weg für Fortschritte bei der Überwachung der Wirksamkeit von Insektenschutzmitteln, Hautcremes und systemischen Medikamenten zur Verbesserung der Hautgesundheit ebnen.

CO2 und VOCs sind genau die Gase, die Mücken und andere Schädlinge anlocken. Die Messung dieser Emissionen aus der Haut könnte Forschern helfen, die Anziehungskraft von Mücken zu verstehen und möglicherweise zu verringern. Mit dem neuen Gerät könnten Dermatologen und ihre Patienten auch messen, wie schnell Lotionen und Cremes in die Haut eindringen, was Aufschluss über die Hautdurchlässigkeit und Barrierefunktion geben könnte. Diese Daten könnten auch anderen Forschern dabei helfen, wirksamere transdermale Arzneimittelverabreichungssysteme zu entwickeln, die Auswirkungen systemisch verabreichter Arzneimittel auf Hautkrankheiten zu überwachen und die Sicherheit von Kosmetika und Körperpflegeprodukten zu bewerten.

Als nächstes plant das Northwestern-Team, die Fähigkeiten des Geräts zu verfeinern, einschließlich der Hinzufügung eines Sensors zur Verfolgung von pH-Änderungen und der Entwicklung von Gassensoren mit erhöhter chemischer Selektivität zur Früherkennung von Organfunktionsstörungen und anderen Krankheiten.

„Diese ungewöhnliche tragbare Plattform bietet eine neue Möglichkeit, über die Hautgesundheit nachzudenken und sie zu verstehen“, sagte Rogers. „Bei dieser Technologie geht es nicht nur um die Messung von Gasen und entsprechenden Eigenschaften der Haut. Es geht darum, den allgemeinen Gesundheitszustand vorherzusagen, Infektionen und Krankheiten vorzubeugen und eine Zukunft zu schaffen, in der die personalisierte Pflege durch eine nicht-invasive, kontinuierliche Gesundheitsverfolgung in Echtzeit durch eine neue Sammlung von Parametern vorangetrieben wird, die diejenigen ergänzen, die mit herkömmlichen Wearables erfasst werden können.“

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