Northwestern University enthüllt Wearable-Gerät zur Messung der Hautatmung

Northwestern University Forscher entwickelten erstes Wearable-Gerät zur Messung von Gasen, die von der Haut emittiert und absorbiert werden. Durch Analyse dieser Gase bietet Gerät neue Möglichkeit zur Hautgesundheitsbewertung: Wundmonitoring, Hautinfektionsdetektion, Hydrationstracking, Quantifizierung Exposition schädlicher Umweltchemikalien u. v. m.

Technologie & Sensorik

Sensorsammlung misst präzise Änderungen in Temperatur, Wasserdampf, CO2, flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) – jeder gibt wertvollen Einblick in diverse Hautzustände und Gesamtgesundheit. Gase strömen in kleine Kammer im Gerät, die wenige Millimeter über Haut schwebt, ohne sie zu berühren. No-Contact-Design besonders nützlich für fragile Haut ohne Störung empfindlicher Gewebe.

Studie (veröffentlicht in Nature) demonstriert Wirksamkeit an Kleintieren und Menschen.

Entwicklung aus Schweißanalyse

„Natürliche Evolution unserer lab's wearable elektronischen Geräte, die Schweiß sammeln/analysieren“, so John A. Rogers (Co-Lead). „Schweißanalyse erforderte pharmakologische Stimulation Schweißdrüsen oder heiße/feuchte Umgebung. Wir dachten: Was können wir von Haut erfassen, das natürlich ständig auftritt? Es kommen allerlei Dinge von Hautoberfläche – Wasserdampf, CO2, VOCs – korrelierbar mit physiologischer Gesundheit.“

„Technologie potenziell transformativ für klinische Versorgung, besonders vulnerable Populationen: Neugeborene, Alte, Diabetiker, kompromittierte Haut“, so Guillermo A. Ameer (Co-Lead). „Schönheit: völlig neuartige Art, Status empfindlicher Haut zu bewerten, ohne Wunden, Ulzera, Abrasionen zu kontaktieren. Erster großer Schritt: Gasmessung korreliert mit Hautstatus.“

Hautbarriere & klinische Relevanz

Hautbarriere (äußerste Hautschicht) = erste Verteidigungslinie gegen Umwelt. Erhält Hydration (verhindert übermäßigen Wasserverlust), Barriere gegen Reizstoffe, Bakterien, UV-Strahlung. Kompromittierte Barriere → erhöhter Wasserverlust (TEWL), Hautsensitivität, Infektionsrisiko, Entzündungen (Ekzem, Psoriasis).

„Haut kritisch für Umweltschutz“, so Dr. Amy Paller (Co-Autor). „Hautbarriere = fest verwobene Proteine/Fette, hält Wasser drin, Reizstoffe/Toxine/Mikroben/Allergene draußen.“

Tracking Änderungen in Emission von Wasserdampf/Gasen → Einblick in Integrität Hautbarriere. Existierende TEWL-Messgeräte: groß, unhandlich, stationär im Krankenhaus. Kompaktes Wearable → Fernmonitoring durch Ärzte, Eigenverantwortung Patienten zu Hause.

„Goldstandard: großes Instrument mit Sonde, intermittierend an Haut für TEWL-Flux. Gerät, das TEWL remote, kontinuierlich/programmierbar misst – ohne Patient im Schlaf zu stören = major advance“, so Paller.

Gerätedetails

2 cm lang, 1,5 cm breit: Kammer, Sensorsammlung, programmierbares Ventil, elektronische Schaltung, kleiner wiederaufladbarer Akku. Kammer schwebt wenige mm über Haut.

„Traditionelle Wearable-Sensoren brauchen physischen Hautkontakt → Limitierung bei Wundversorgung/fragiler Haut. Unser Gerät überwindet: kleine, geschlossene Kammer über Hautoberfläche“, so Rogers.

Automatisches Ventil öffnet/schließt Kammerzugang – dynamische Kontrolle zwischen Kammer und Umgebungsluft. Ventil offen → Gase strömen ein/aus → Baseline-Messung. Ventil schließt schnell → Gase in Kammer gefangen. Sensoren messen Gaskonzentrationsänderungen über Zeit.

„Ohne programmierbares Ventil und zeitdynamischen Messansatz für Flux-Quantifizierung → System durch natürliche Umgebungsvariationen verwirrt. Immer offen → Sensor detektiert Umgebungsänderungen, nicht Haut. Immer geschlossen → stört natürliche Flux-Muster, kann Umwelteinflüsse nicht berücksichtigen. Für Arbeiter in gefährlichen Umgebungen: hilfreich zu wissen, wie viel Gefahrstoffe über Haut in Körper eintreten“, so Rogers.

Datenübertragung & klinischer Nutzen

Bluetooth → Daten direkt an Smartphone/Tablet für Echtzeit-Monitoring. Schnelle Ergebnisse helfen Healthcare-Workern bei fundierteren, schnelleren Entscheidungen: Wundmanagement, Antibiotikaverabreichung.

Erhöhter Wasserdampf, CO2, VOCs assoziiert mit Bakterienwachstum, verzögerter Heilung → Monitoring hilft Caregiver, Infektionen früher/zuversichtlicher zu detektieren.

„Antibiotika für Wunden = Gamble“, so Ameer (Experte regenerative Engineering Wundheilung). „Schwer zu sagen, ob Wunde infiziert. Wenn offensichtlich, oft zu spät → Sepsis (gefährlich). Ärzte verschreiben Breitbandantibiotika → Antibiotikaresistenz (wachsendes Problem). Enges, kontinuierliches Wundmonitoring + Antibiotika bei erstem Infektionszeichen = offensichtliches, wichtiges Interesse.“

Kontinuierliches Monitoring wichtig für alle Wundtypen, besonders Diabetiker. Ameer entwickelte zuvor Strategien (Antioxidantien-Gele, regenerative Verbände) für diabetische Ulzera. Vor 2 Jahren: erste transiente elektronische Bandage (elektrische Stimulation beschleunigt Heilung). Neues Wearable = weiteres Tool für vulnerable Patienten.

„Diabetische Ulzera = #1 nicht-traumatische Ursache Unterschenkelamputationen weltweit“, so Ameer. „Manchmal wirkt Wunde als schließend, aber Hautbarrierefunktion nicht ganz restauriert. Unser Gerät misst emittierte Gase präzise → Info über Hautbarrierefunktion.“

Zukünftige Anwendungen

Technologie bietet beispiellose Einblicke in Wundheilung/Hautgesundheit, könnte Weg bereiten für: Monitoring Wirksamkeit Insektenschutzmittel, Hautcremes, systemische Medikamente für Hautgesundheit.

• CO2/VOCs ziehen Mücken an → Messung Emissionen könnte Mückenanziehung verstehen/mindern.
• Dermatologen/Patienten: Messung Penetrationsgeschwindigkeit Lotionen/Cremes → Einblicke Hautpermeabilität/Barrierefunktion.
• Daten helfen: effektivere transdermale Drug Delivery, Monitoring systemisch verabreichter Medikamente bei Hauterkrankungen, Sicherheit Kosmetika/Pflegeprodukte evaluieren.

Next Steps

Team plant: Sensor für pH-Änderungen, Gassensoren mit erhöhter chemischer Selektivität für Früherkennung Organdysfunktion/anderer Erkrankungen.

„Diese ungewöhnliche Wearable-Plattform bietet neue Art, Hautgesundheit zu denken/verstehen“, so Rogers. „Nicht nur Gase messen und Hautmerkmale korrelieren. Es geht um: Gesamtgesundheit vorhersagen, Infektion/Krankheit verhindern, Zukunft schaffen, wo personalisierte Pflege durch Echtzeit, nicht-invasiv, kontinuierliches Health-Tracking via neue Parameter getrieben wird, die konventionelle Wearables ergänzen.“