科技 | Science重磅：智能口罩引領(lǐng)呼吸監(jiān)測(cè)新革命！

　　呼吸是生物生存的最基本的生命活動(dòng)，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(guān)的信息，例如，呼吸頻率，呼吸聲音等物理信息。從化學(xué)分子層面上說(shuō)，呼吸是具有豐富生物標(biāo)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(dǎo)致的;近年來(lái)高發(fā)的呼吸道類傳染病，如COVID-19，也可以通過(guò)呼出的氣溶膠進(jìn)行傳播。然而，具有流動(dòng)性的氣態(tài)呼吸的采樣與檢測(cè)非常具有挑戰(zhàn)性，從而限制了呼吸分子監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

　　日前，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉教授團(tuán)隊(duì)介紹了一種用于可穿戴式監(jiān)測(cè)呼氣冷凝物的智能口罩創(chuàng)新概念，重點(diǎn)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(shè)計(jì)用于持續(xù)冷凝呼出的濕氣、自動(dòng)捕捉和刷新呼氣冷凝液(EBC)以及實(shí)時(shí)、原位多重分析生物標(biāo)記物。鑒于目前在了解和檢測(cè)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(shù)在應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)方面具有巨大潛力，并為探索呼吸中生物標(biāo)志物的動(dòng)態(tài)組成和生理意義建立了一個(gè)通用的研究平臺(tái)和范例。該項(xiàng)目的成功實(shí)現(xiàn)對(duì)EBC中生物標(biāo)志物的日常和臨床可穿戴監(jiān)測(cè)，為代謝和呼吸健康評(píng)估提供一種無(wú)創(chuàng)的個(gè)人精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方法。

　　2024年8月29日，相關(guān)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(xué)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(xué)檢測(cè)、穿戴實(shí)驗(yàn)四個(gè)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(dòng)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(dòng)制冷領(lǐng)域，能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)大小降低為3 cm尺寸和4 g的重量，實(shí)現(xiàn)了可穿戴化的條件下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境下至少長(zhǎng)達(dá)7小時(shí)的7-8°C的持續(xù)制冷效果，滿足了日間佩戴時(shí)長(zhǎng)的需求。此外，作為采集生物樣本的設(shè)備，器件材料的特性也值得關(guān)注。EBC 采集界面材料應(yīng)具有高親水性，以促進(jìn)液滴的成核和聚集。同時(shí)，它還不應(yīng)粘附 EBC 中的生物標(biāo)記物。由于可穿戴設(shè)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(shè)計(jì)的特性

　　對(duì)呼氣冷凝物進(jìn)行連續(xù)即位監(jiān)測(cè)有利于了解呼吸中分子濃度的動(dòng)態(tài)變化與長(zhǎng)期趨勢(shì)。該智能口罩EBCare器件從仿生學(xué)的角度出發(fā)，模仿植物中液體從根部自主流向葉片的機(jī)制。由于聚偏二甲基硅氧烷(PDMS)具有可重構(gòu)性，因此可以構(gòu)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(xì)力梯度的結(jié)構(gòu)，從而穩(wěn)定、持續(xù)地實(shí)現(xiàn) EBC 的流動(dòng)，甚至不受重力方向的影響(這點(diǎn)對(duì)于病人臥在病床上的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要)。電化學(xué)傳感器可集成在自主流動(dòng)的微流體通道實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。受樹(shù)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(shù)葉"，產(chǎn)生蒸發(fā)壓力，吸收測(cè)試過(guò)的 EBC 液體，作為冷卻水源的補(bǔ)充。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終將該裝置應(yīng)用于佩戴口罩的各種場(chǎng)景(如日常站立，坐姿，以及病人在病床上的臥姿)，以滿足實(shí)際需求。

　　圖3. EBC 采樣、傳輸和刷新的 EBCare 設(shè)備的微流體設(shè)計(jì)

　　基于噴墨打印技術(shù)，本工作開(kāi)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(xué)傳感器陣列，用于多重分析各種 EBC 生物標(biāo)志物。此外，本系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)一種柔性印刷電路板，用于處理和校準(zhǔn)人體傳感器的信號(hào)讀數(shù)。處理后的讀數(shù)將無(wú)線傳輸?shù)交颊叩闹悄苁謾C(jī)上。考慮到傳感器貼片可以通過(guò)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(fù)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(fù)用 EBC 分析的無(wú)線電化學(xué)生物傳感器陣列的設(shè)計(jì)與表征

　　通過(guò)這些技術(shù)上的創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅解決了歐洲呼吸學(xué)會(huì)權(quán)威指南中列出的 EBC 采集和分析方面的眾多技術(shù)難題。更重要的是，成功解決了多年來(lái)阻礙該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，如唾液污染、鼻/口呼吸模式、實(shí)時(shí)性低以及無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等。通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)人體呼吸的分子成分，EBCare 實(shí)時(shí)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(cè)。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅有助于揭示人體的酒精代謝、銨根含量相關(guān)的蛋白質(zhì)代謝和尿素水平(可用于腎病監(jiān)測(cè))，還能用于監(jiān)測(cè)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(yù)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(píng)估

　　總之，作為一個(gè)呼吸研究平臺(tái)，智能口罩EBCare 能夠促進(jìn)對(duì)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(cè)與管理。同時(shí)其能記錄與輔助評(píng)估疾病潛在變化趨勢(shì)，爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥。因此，EBCare口罩的應(yīng)用可以延伸至預(yù)防醫(yī)學(xué)，呼吸道傳染病和個(gè)人精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析呼氣樣本，實(shí)現(xiàn)更加主動(dòng)的健康管理策略。這種前瞻性的健康監(jiān)測(cè)方法可能在慢性病管理和公共衛(wèi)生領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為實(shí)現(xiàn)人口健康水平的整體提升提供新的技術(shù)支撐。

　　來(lái)源：化學(xué)與材料科學(xué)