科技 | Science重磅：智能口罩引領呼吸監(jiān)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(tài)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(fā)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(tài)呼吸的采樣與檢測非常具有挑戰(zhàn)性，從而限制了呼吸分子監(jiān)測的應用。

　　日前，加州理工學院醫(yī)學工程系高偉教授團隊介紹了一種用于可穿戴式監(jiān)測呼氣冷凝物的智能口罩創(chuàng)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(tǒng)設計用于持續(xù)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(zhàn)方面具有巨大潛力，并為探索呼吸中生物標志物的動態(tài)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(xiàn)對EBC中生物標志物的日常和臨床可穿戴監(jiān)測，為代謝和呼吸健康評估提供一種無創(chuàng)的個人精準醫(yī)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(fā)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(xù)分析呼出氣冷凝物

　　該系統(tǒng)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(zhàn)在于呼氣冷凝物采集的可行性、穩(wěn)定性和連續(xù)性。文中系統(tǒng)基于新型被動式微型持續(xù)冷卻策略，包含輻射冷卻和基于水凝膠的蒸發(fā)冷卻等新興被動制冷領域，能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)大小降低為3 cm尺寸和4 g的重量，實現(xiàn)了可穿戴化的條件下實現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境下至少長達7小時的7-8°C的持續(xù)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(lián)冷卻設計的特性

　　對呼氣冷凝物進行連續(xù)即位監(jiān)測有利于了解呼吸中分子濃度的動態(tài)變化與長期趨勢。該智能口罩EBCare器件從仿生學的角度出發(fā)，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(wěn)定、持續(xù)地實現(xiàn) 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(jiān)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(xiàn)監(jiān)測。受樹葉蒸騰壓力的啟發(fā)，本裝置將利用冷卻水凝膠作為 "人造樹葉"，產(chǎn)生蒸發(fā)壓力，吸收測試過的 EBC 液體，作為冷卻水源的補充。通過數(shù)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(fā)一種可大規(guī)模生產(chǎn)、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(tǒng)還開發(fā)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(shù)。處理后的讀數(shù)將無線傳輸?shù)交颊叩闹悄苁謾C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(chǎn)，這種傳感器貼片成為一次性產(chǎn)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(chuàng)新，該系統(tǒng)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(fā)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(jiān)測等。通過持續(xù)監(jiān)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(shù)據(jù)，為日常生活和疾病管理提供持續(xù)的健康監(jiān)測。這種實時監(jiān)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(zhì)代謝和尿素水平(可用于腎病監(jiān)測)，還能用于監(jiān)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(yōu)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(yī)療監(jiān)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(fā)風險和并發(fā)癥。因此，EBCare口罩的應用可以延伸至預防醫(yī)學，呼吸道傳染病和個人精準醫(yī)學領域，通過持續(xù)監(jiān)測和分析呼氣樣本，實現(xiàn)更加主動的健康管理策略。這種前瞻性的健康監(jiān)測方法可能在慢性病管理和公共衛(wèi)生領域產(chǎn)生深遠影響，為實現(xiàn)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