科技 | Science重磅：智能口罩引領呼吸監測新革命！

　　呼吸是生物生存的最基本的生命活動，起著氧氣攝入與代謝氣體排出的作用。此外，呼吸中包含了很多與生物體狀態相關的信息，例如，呼吸頻率，呼吸聲音等物理信息。從化學分子層面上說，呼吸是具有豐富生物標記物的一種載體。例如，糖尿病患者的呼吸常有“壞蘋果”味，這正是呼出丙酮較高導致的;近年來高發的呼吸道類傳染病，如COVID-19，也可以通過呼出的氣溶膠進行傳播。然而，具有流動性的氣態呼吸的采樣與檢測非常具有挑戰性，從而限制了呼吸分子監測的應用。

　　日前，加州理工學院醫學工程系高偉教授團隊介紹了一種用于可穿戴式監測呼氣冷凝物的智能口罩創新概念，重點是集成在日常口罩上的柔性微流體裝置(Exhaled Breath Condensate Analysis and Respiratory Evaluation System，EBCare)。該系統設計用于持續冷凝呼出的濕氣、自動捕捉和刷新呼氣冷凝液(EBC)以及實時、原位多重分析生物標記物。鑒于目前在了解和檢測EBC生理方面存在的差距，這種可穿戴的呼氣冷凝物分析技術在應對上述挑戰方面具有巨大潛力，并為探索呼吸中生物標志物的動態組成和生理意義建立了一個通用的研究平臺和范例。該項目的成功實現對EBC中生物標志物的日常和臨床可穿戴監測，為代謝和呼吸健康評估提供一種無創的個人精準醫學方法。

　　2024年8月29日，相關成果以“A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis”為題發表在Science上。加州理工學院博士生衡文正為第一作者, 高偉教授為通訊作者。

　　圖1. 智能口罩EBCare可高效采集和連續分析呼出氣冷凝物

　　該系統可以分為呼吸冷凝、液體傳輸、電化學檢測、穿戴實驗四個主要部分。

　　呼氣冷凝物分析的首要挑戰在于呼氣冷凝物采集的可行性、穩定性和連續性。文中系統基于新型被動式微型持續冷卻策略，包含輻射冷卻和基于水凝膠的蒸發冷卻等新興被動制冷領域，能夠將整個系統大小降低為3 cm尺寸和4 g的重量，實現了可穿戴化的條件下實現室內外環境下至少長達7小時的7-8°C的持續制冷效果，滿足了日間佩戴時長的需求。此外，作為采集生物樣本的設備，器件材料的特性也值得關注。EBC 采集界面材料應具有高親水性，以促進液滴的成核和聚集。同時，它還不應粘附 EBC 中的生物標記物。由于可穿戴設備的先決條件和呼吸道傳染病的流行，材料固有的生物相容性和抗菌特性也是重要的考慮因素。

　　圖2. EBCare 器件用于呼吸冷凝的串聯冷卻設計的特性

　　對呼氣冷凝物進行連續即位監測有利于了解呼吸中分子濃度的動態變化與長期趨勢。該智能口罩EBCare器件從仿生學的角度出發，模仿植物中液體從根部自主流向葉片的機制。由于聚偏二甲基硅氧烷(PDMS)具有可重構性，因此可以構建具有密度和高度梯度的微柱和微通道陣列，形成具有毛細力梯度的結構，從而穩定、持續地實現 EBC 的流動，甚至不受重力方向的影響(這點對于病人臥在病床上的監測至關重要)。電化學傳感器可集成在自主流動的微流體通道實現監測。受樹葉蒸騰壓力的啟發，本裝置將利用冷卻水凝膠作為 "人造樹葉"，產生蒸發壓力，吸收測試過的 EBC 液體，作為冷卻水源的補充。通過數值模擬和實驗驗證，最終將該裝置應用于佩戴口罩的各種場景(如日常站立，坐姿，以及病人在病床上的臥姿)，以滿足實際需求。

　　圖3. EBC 采樣、傳輸和刷新的 EBCare 設備的微流體設計

　　基于噴墨打印技術，本工作開發一種可大規模生產、高選擇性、高靈敏度，低沉本的電化學傳感器陣列，用于多重分析各種 EBC 生物標志物。此外，本系統還開發一種柔性印刷電路板，用于處理和校準人體傳感器的信號讀數。處理后的讀數將無線傳輸到患者的智能手機上。考慮到傳感器貼片可以通過激光切割或噴墨打印以低成本大量生產，這種傳感器貼片成為一次性產品，而電子元件仍可重復使用。傳感器貼片和主體器件的成本約為1.2美元。

　　圖4. 用于原位多路復用 EBC 分析的無線電化學生物傳感器陣列的設計與表征

　　通過這些技術上的創新，該系統不僅解決了歐洲呼吸學會權威指南中列出的 EBC 采集和分析方面的眾多技術難題。更重要的是，成功解決了多年來阻礙該領域發展的關鍵問題，如唾液污染、鼻/口呼吸模式、實時性低以及無法進行長期監測等。通過持續監測人體呼吸的分子成分，EBCare 實時捕捉并分析用戶的呼吸和代謝數據，為日常生活和疾病管理提供持續的健康監測。這種實時監測不僅有助于揭示人體的酒精代謝、銨根含量相關的蛋白質代謝和尿素水平(可用于腎病監測)，還能用于監測炎癥因子亞硝酸鹽的含量，有助于哮喘和慢性阻塞性肺病患者跟蹤病情變化、優化治療方案和采取預防措施。

　　圖5. EBCare智能口罩用于健康人群和呼吸道疾病患者人群 EBC 分析的人體評估

　　總之，作為一個呼吸研究平臺，智能口罩EBCare 能夠促進對于呼吸道疾病，代謝疾病和傳染病的研究與早期診斷，醫療監測與管理。同時其能記錄與輔助評估疾病潛在變化趨勢，爆發風險和并發癥。因此，EBCare口罩的應用可以延伸至預防醫學，呼吸道傳染病和個人精準醫學領域，通過持續監測和分析呼氣樣本，實現更加主動的健康管理策略。這種前瞻性的健康監測方法可能在慢性病管理和公共衛生領域產生深遠影響，為實現人口健康水平的整體提升提供新的技術支撐。

　　來源：化學與材料科學