피부는 숨쉬고 있습니다. 새로운 웨어러블 장치는 그것을 측정 할 수 있다

노스웨스턴 대학 연구진은 피부에서 방출되고 흡수되는 가스를 측정하는 최초의 웨어러블 기기를 개발했습니다.

이러한 가스를 분석함으로써 이 장치는 상처 모니터링, 피부 감염 탐지, 수분 수치 추적, 유해한 환경 화학 물질에 대한 노출 정량화 등 피부 건강을 평가하는 완전히 새로운 방법을 제공합니다.

이 새로운 기술은 온도, 수증기, 이산화탄소(CO2), 휘발성 유기 화합물(VOC)의 변화를 정밀하게 측정하는 센서들로 구성되어 있으며 , 각 센서는 다양한 피부 상태와 전반적인 건강 상태에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이러한 가스들은 기기 내부의 작은 챔버로 유입되어 피부에 직접 닿지 않고 피부 위에 떠 있습니다. 이러한 비접촉식 디자인은 민감한 조직을 손상시키지 않고 연약한 피부에 대한 정보를 수집하는 데 특히 유용합니다.

이 연구는 수요일(4월 9일) 네이처(Nature)지에 게재될 예정입니다. 이 논문은 소형 동물과 인간 모두에게 이 장치가 효과적임을 보여줍니다.

"이 장치는 땀을 수집하고 분석하는 저희 연구실의 웨어러블 전자 기기가 자연스럽게 진화한 것입니다."라고 이 연구의 공동 책임자인 노스웨스턴 대학교의 존 A. 로저스는 말했습니다. "당시 저희는 착용자의 전반적인 건강 상태를 파악하기 위해 땀을 분석했습니다.

유용하기는 하지만, 이 방법은 땀샘의 약리학적 자극이나 덥고 습한 환경에 노출되어야 합니다. 저희는 피부에서 항상 자연적으로 발생하는 물질을 포착할 수 있을지 고민하기 시작했습니다. 피부 표면에서는 수증기, 이산화탄소, 휘발성 유기 화합물 등 다양한 물질이 배출되는데, 이러한 물질들이 근본적인 생리적 건강과 연관될 수 있다는 것을 알게 되었습니다."

"이 기술은 특히 신생아, 노인, 당뇨병 환자, 피부 질환 환자 등 취약 계층의 임상 치료를 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다."라고 이 연구를 공동 주도한 노스웨스턴 대학교의 기예르모 A. 아미어는 말했습니다.

"이 기기의 장점은 상처, 궤양, 찰과상에 직접 접촉하지 않고도 민감한 피부의 상태를 평가할 수 있는 완전히 새로운 방법을 발견했다는 것입니다. 이 기기는 가스 변화를 측정하고 그 변화와 피부 상태의 상관관계를 규명하는 데 있어 중요한 첫걸음입니다."

생체 전자공학의 선구자인 Rogers는 Northwestern 대학의 재료 과학 및 공학, 생체 공학 및 신경 외과의 Louis Simpson 및 Kimberly Querrey 교수이며 Northwestern 대학의 McCormick School of Engineering과 Feinberg School of Medicine에 임명되었으며 Querrey Simpson Institute for Bioelectronics의 소장입니다.

Ameer는 McCormick 대학의 생체 공학의 Daniel Hale Williams 교수이자 Feinberg 대학의 외과 교수이며 Northwestern 대학에 새로 설립된 Querrey Simpson Institute for Regenerative Engineering(QSI RENU)의 창립 소장입니다.Rogers와 Ameer는 기계 공학의 Jan and Marcia Achenbach 교수이자 토목 및 환경 공학 교수인 Yonggang Huang과 함께 연구를 공동으로 이끌었습니다.

집에서 환자에게 힘을 실어주기

피부 장벽이라고 불리는 피부의 가장 바깥층은 외부 환경으로부터 신체를 보호하는 최전선입니다. 과도한 수분 손실을 막아 수분을 유지하고 자극 물질, 박테리아, 자외선으로부터 피부를 보호합니다. 피부 장벽이 손상되면 수분 손실 증가(경표피수분손실, TEWL)와 피부 민감증, 그리고 습진이나 건선과 같은 염증성 질환 및 감염 위험이 높아질 수 있습니다.

"피부는 우리를 환경으로부터 보호하는 데 매우 중요합니다."라고 파인버그 피부과 월터 J. 해밀린 교수이자 피부과 학과장인 에이미 팔러 박사는 연구 공동 저자로 말했습니다. "이러한 보호 기능의 주요 요소는 피부 장벽입니다. 피부 장벽은 촘촘하게 짜인 단백질과 지방으로 구성되어 수분을 유지하고 자극 물질, 독소, 미생물, 알레르기 유발 물질을 차단합니다."

피부에서 발생하는 수증기와 가스의 변화를 추적함으로써 의료 전문가는 환자의 피부 장벽의 건강 상태를 파악할 수 있습니다. 수분 손실을 측정하는 기술은 존재하지만, 이러한 기술은 대부분 병원 환경에서 사용되는 크고 다루기 힘든 기계입니다. 반면, 이 소형 웨어러블 기기는 의사가 원격으로 환자를 모니터링하고, 환자가 집에서도 자신의 피부 건강을 관리할 수 있도록 설계되었습니다.

"피부 장벽 건강 상태 측정의 황금 표준은 피부에 간헐적으로 접촉하여 경피 수분 손실, 즉 피부를 통한 수분 흐름에 대한 정보를 수집하는 프로브가 장착된 대형 기기입니다."라고 팔러 박사는 말했습니다. "경피 수분 손실을 원격으로, 연속적으로 또는 연구자가 프로그래밍한 대로 측정할 수 있고, 수면 중 환자를 방해하지 않는 기기를 개발하는 것은 매우 중요한 진전입니다."

장치 작동 방식

길이 2cm, 너비 1.5cm에 불과한 이 장치는 챔버, 센서 모음, 프로그래밍 가능한 밸브, 전자 회로, 그리고 작은 충전식 배터리로 구성되어 있습니다. 챔버는 피부에 직접 닿는 대신 피부 위 몇 밀리미터 높이에 떠 있습니다.

로저스는 "기존 웨어러블 센서는 피부와의 물리적 접촉에 의존하기 때문에 상처 치료나 피부가 약한 사람과 같은 민감한 상황에서는 사용이 제한적입니다."라고 말했습니다. "저희 장치는 피부 표면 위에 작고 밀폐된 공간을 만들어 이러한 한계를 극복합니다."

자동 밸브가 이 챔버의 입구를 열고 닫습니다. 이 기능은 밀폐된 챔버와 주변 대기 사이의 접근을 동적으로 제어합니다. 밸브가 열리면 가스가 챔버 안팎으로 흘러들어가 장치가 기준 측정을 할 수 있도록 합니다. 밸브가 빠르게 닫히면 챔버 내부의 가스가 포집됩니다. 이 과정에서 일련의 센서가 시간 경과에 따른 가스 농도 변화를 측정합니다.

"만약 저희 장치에 프로그래밍 가능한 밸브와 피부 내외부로 유입되는 유해 물질의 흐름을 실시간으로 정량화하는 시간 동적 측정 방식이 통합되어 있지 않다면, 주변 환경에서 자연스럽게 변할 수 있는 이러한 유해 물질의 농도 변화로 인해 시스템이 교란될 수 있습니다."라고 로저스는 말했습니다. "특히, 밸브가 항상 열려 있다면 센서는 피부와 관련된 어떤 요인 때문이 아니라 이러한 종류의 변화를 감지할 것입니다. 반면, 밸브가 항상 닫혀 있다면 환경적 요인을 고려하지 못하는 방식으로 자연적인 흐름 패턴을 교란시킬 것입니다. 잠재적으로 위험한 환경에서 일하는 근로자에게는 이러한 유해 물질이 피부를 통해 체내로 얼마나 유입되는지 아는 것이 도움이 됩니다."

상처 치료에 이상적

이 장치는 블루투스를 사용하여 이러한 데이터를 스마트폰이나 태블릿으로 직접 전송하여 실시간 모니터링을 제공합니다. 이러한 빠른 결과는 의료 종사자가 상처 관리 및 항생제 투여에 대해 더욱 정보에 기반한 신속한 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있습니다.

수증기, 이산화탄소, 휘발성 유기 화합물(VOC)이 증가하면 박테리아 가 증식하고 치유가 늦어지므로 이러한 요소를 모니터링하면 간병인이 감염을 더 일찍, 더 자신 있게 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다.

"상처에 항생제를 처방하는 것은 다소 위험할 수 있습니다." 상처 치유 개선을 위한 재생 공학 접근법 전문가인 아미어는 이렇게 말했습니다. "때로는 상처가 감염되었는지 아닌지 알기 어렵습니다. 감염이 확실해졌을 때는 이미 너무 늦었을 수 있으며, 환자는 매우 위험한 패혈증에 걸릴 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 의사들은 광범위한 항생제를 처방합니다. 이는 의료계에서 점점 더 심각해지는 문제인 항생제 내성으로 이어질 수 있습니다. 상처를 면밀히 지속적으로 모니터링하고 감염 징후가 가장 먼저 나타날 때 항생제를 처방할 수 있는 능력은 분명하고 중요한 관심사입니다."

모든 유형의 상처에 지속적인 모니터링이 중요하지만, 특히 당뇨병 환자에게는 더욱 중요합니다. 아미르는 이전에 당뇨병성 궤양 치료를 위해 항산화 젤과 재생 붕대 등 다양한 전략을 개발해 왔습니다. 불과 2년 전, 아미르는 로저스와 협력하여 전기 자극을 이용하여 상처 치유를 촉진하는 최초의 일시적 전자 붕대를 개발했습니다. 이 새로운 웨어러블 기기는 이러한 취약한 환자들이 위험한 부작용을 피할 수 있도록 돕는 또 다른 도구를 제공합니다.

"당뇨병성 궤양은 전 세계적으로 하지 절단의 비외상성 원인 중 가장 큰 비중을 차지합니다."라고 아미르는 말했습니다. "때로는 상처가 아물고 있는 것처럼 보이지만 피부 장벽 기능이 완전히 회복되지 않은 경우가 있습니다. 저희 장치는 배출되는 가스를 정밀하게 측정하여 피부 장벽 기능에 대한 유용한 정보를 제공합니다."

방충제, 로션의 효능 평가

이 혁신적인 신기술은 상처 치유와 피부 건강에 대한 전례 없는 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 피부 건강을 개선하기 위해 고안된 방충제, 피부 크림 및 전신 약물의 효능을 모니터링하는 데 있어 진전을 이루는 길을 열어줄 수도 있습니다.

CO₂ 와 VOC는 모기와 기타 해충을 유인 하는 바로 그 기체입니다. 따라서 피부에서 이러한 배출물을 측정하면 연구자들이 모기 유인을 이해하고 잠재적으로 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 이 새로운 장치는 피부과 전문의와 환자들이 로션과 크림이 피부에 얼마나 빨리 침투하는지 측정할 수 있도록 하여 피부 투과성과 장벽 기능에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

이러한 데이터는 다른 연구자들이 더욱 효과적인 경피 약물 전달 시스템을 개발하고, 피부 질환에 대한 전신 투여 약물의 효과를 모니터링하며, 화장품 및 개인 관리 제품의 안전성을 평가하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.

다음으로, 노스웨스턴 팀은 pH 수치의 변화를 추적하는 센서를 추가하고 장기 기능 장애 및 기타 질병을 조기에 감지하기 위한 화학적 선택성이 향상된 가스 센서를 개발하는 등 해당 장치의 기능을 개선할 계획입니다.

로저스는 "이 독특한 웨어러블 플랫폼은 피부 건강에 대해 생각하고 이해하는 새로운 방식을 제시합니다."라고 말했습니다. "이 기술은 단순히 피부의 가스와 그에 따른 특징을 측정하는 데 그치지 않습니다. 전반적인 건강 상태를 예측하고, 감염과 질병을 예방하며, 기존 웨어러블 기기로 측정할 수 있는 데이터를 보완하는 새로운 매개변수들을 통해 실시간, 비침습적, 지속적인 건강 추적을 통해 개인 맞춤형 케어가 이루어지는 미래를 만들어가는 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250409114529.htm