Science：监测呼吸健康的智能口罩（加州理工学院系高伟教授团队）

现有技术缺点

1. 实时监测缺乏：现有的呼气监测主要限于物理信号，无法实时监测呼气冷凝液（EBC）中的分子信息，阻碍了疾病的早期诊断和持续管理。

2. 设备复杂、成本高：传统的EBC采集设备通常需要冰桶或专用冷凝仪器，需在实验室中进行分析，难以进行家庭远程检测，且成本高昂。

3. 样本降解与干扰：采样和存储过程中，反应物质容易降解，且容易受到口腔成分的干扰，缺乏连续的动态信息。

文章亮点

1. EBCare设备：作者提出了一种基于口罩的设备，名为EBCare，能够实现EBC的实时、现场监测，通过串联冷却、自动化微流体和高选择性电化学生物传感器技术，实现多模态的呼气分子分析。

2. 灵敏度与无线传输：EBCare集成了纳米工程电化学传感器阵列，结合柔性印刷电路板（FPCB），能够实现高灵敏度的信号处理和无线传输，确保在日常活动中持续监测。

3. 无动力冷凝与自动采样：EBCare通过无动力的串联冷却策略和表面亲水性驱动的微流体模块，实现了稳定的呼气冷凝和高效的EBC自动采样。

应用场景

1. 慢性呼吸系统疾病患者：适用于慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘和新冠病毒等患者，帮助实时监测代谢状态和呼吸道炎症。

2. 健康监测与远程医疗：该设备能够应用于健康个体的日常健康监测，尤其是适合远程医疗和家庭护理环境中的非侵入性呼气分析。

3. 呼吸道疾病预警：EBCare可以作为预防和早期发现呼吸道疾病的有效工具，实时跟踪生物标志物变化。

总结

    EBCare是一种创新的口罩式呼气冷凝液分析设备，能够在日常活动中实现高精度、动态、非侵入性的呼气监测。其通过串联冷却、微流体自动采样和电化学传感器技术，克服了传统EBC分析中的复杂挑战，为呼吸系统疾病的早期诊断、远程监测和个性化健康护理提供了新的解决方案。

文章名称：A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis

期刊：Science

文章DOI：10.1126/science.adn6471

通讯作者：加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授团队

    作者介绍了一种机械柔性微流体智能口罩系统，称为EBCare（呼气冷凝液分析与呼吸评估），该系统旨在实现持续的呼气冷凝、自动EBC捕集与运输，以及实时原位EBC生物标志物分析（图1A-C）。EBCare支持高时间分辨率的EBC收集与运输，使其成为实时连续原位分析的理想选择。EBCare系统能够实现高度灵敏、选择性和连续的EBC生物标志物分析，得益于与柔性印刷电路板（FPCB）相结合的纳米工程电化学传感器阵列，用于信号处理和无线通信（图1D和E）。分析后，EBC的排出被冷却水凝胶吸收，确保持续的水分补给，以实现可持续的蒸发冷却。

图1. 一种智能EBCare（呼气冷凝物分析与呼吸评估）面罩，用于高效收集和持续分析呼气冷凝物。(A) EBCare能够进行呼气冷凝、EBC收集与运输，以及对人类呼吸道生物标志物的持续分析。(B和C) EBCare设备主要组件的爆炸视图示意图(B)和横截面光学图像(C)。比例尺，4mm。(D) 示意图展示了与EBCare设备集成的智能面罩的扩展视图和内部视图。FPCB，柔性印刷电路板。(E) 一名参与者佩戴的完全集成的无线智能面罩照片。

呼气冷凝的串联冷却策略

    为了在多种现实生活中的室内和室外场景中有效地将冷凝表面温度降至呼气的露点，EBCare采用了一种串联的被动冷却策略，该策略结合了水凝胶蒸发和辐射冷却（图2A和B）。EBCare的主要结构框架采用具有高热导率和理想辐射冷却特性的陶瓷铝酸盐-聚合物混合超材料（图2C），其由均匀分布在含有聚二甲基硅氧烷（PDMS）和共聚物PDMS-嵌段-聚乙二醇（PDMS-b-PEG）的聚合物基体中的微米级铝氧化物（Al2O3）球体组成。

图2. EBCare的串联冷却设计用于呼吸冷凝的表征。(A) EBCare设备的示意图，具备室内和室外同时冷却的能力，以实现高效的呼吸冷凝。UV，紫外线；NIR，近红外；MIR，中红外。(B) EBCare设备在室内、阳光明媚的室外和夜间室外环境中的照片。比例尺，5mm。(C) 一种聚合物超材料薄膜（厚度为0.5mm）的光谱发射率。红色和蓝色分别表示AM 1.5太阳光谱和大气窗口。(D) 在不同环境相对湿度和温度下，水凝胶的冷却能力。DT，水凝胶存在时的表面温度下降。(E) 在室内和室外（夜间和阳光下）环境下，不同冷却策略的表面温度。(F) 从健康参与者获得的不同冷却策略的EBC收集性能。(G) EBCare设备在有无EBC刷新情况下的水凝胶寿命。插图显示了EBCare上水凝胶在有无EBC刷新情况下的水合状态。比例尺，1厘米。图中所有误差条表示均值的标准偏差。

生物启发的微流体技术用于环境呼吸气体（EBC）采样、运输和更新

    EBCare的微流控模块采用了具有结构梯度的微柱、亲水微流控通道和蒸发冷却水凝胶，作为重力独立的EBC采样、运输和更新的分级毛细泵（图3）。 

图3. EBCare设备微流体设计的描述，用于EBC采样、运输和刷新。 (A) EBCare设备微流体设计的示意图，用于EBC采样、运输和刷新。(B) 不同质量分数的PDMS-b-PEG共聚物对PDMS:PDMS-b-PEG/Al2O3的接触角。(C) 具有不同梯度因子（密度和高度）的预湿微柱阵列设计的单向液体运输能力比较。(D) EBCare内表面微柱结构的扫描电子显微镜（SEM）图像（左），以及EBCare内表面液体运输的示意图和俯视快照（右）。重力垂直于表面并向内。比例尺，1mm（左）和3mm（右）。(E) EBCare外表面水凝胶刷新时毛细水运输的高度。插图显示外表面结构的微通道横截面示意图（左上）、SEM图像（左下）和毛细泵送示意图（右上）。比例尺，1mm。(F和G) 使用具有不同内表面特性（亲水性、有或没有微结构）的EBCare设备在直立（F）和仰卧（G）状态下参与者的传感储液池中一对电极之间的阻抗，以验证传感室内EBC的存在。

视频S2

无线电化学生物传感器阵列用于多重呼气气体分析

    作者将一个电化学传感器阵列集成到智能口罩中，以实现对EBC的同步和多重原位分析。

图4. 无线电化学生物传感器阵列的设计与表征，用于原位多重呼气液分析。(A) 一种喷墨打印的电化学传感阵列的示意图和光学图像，能够同时原位多重监测呼气液中的NH4 +、pH、酒精、NO2 −及温度。(B和C) 在含有不同分析物浓度的人工呼气液（400 mM NH4HCO3）中，酶促酒精传感器(B)和NO2−传感器(C)的安培响应。(D和E) 在标准分析物溶液中，离子选择性NH4 +传感器(D)和基于聚苯胺的pH传感器(E)的开路电位响应。(F) NH4+和NO2−传感器的验证，使用商业检测试剂盒分析来自参与者的收集呼气液样本。(G) 集成电子系统和移动应用程序的图像及示意图，用于无线呼气液分析。ADC，模数转换器；BLE，蓝牙低能量；DAC，数模转换器；INA，仪表放大器；TIA，跨阻放大器；WE，工作电极。比例尺，3 mm。(H) 在微流控测试中，电化学生物传感器阵列的系统级多重干扰研究。

视频S3

视频S4

 对健康参与者和患者参与者的EBCare评估以实现个性化医学

    为了评估EBCare在日常生活场景中对持续EBC采样和分析的长期适用性，作者对一名健康个体进行了为期14小时的研究，跟踪了其运动、饮食、办公室工作和小憩等活动（图5A）。多项人类研究表明，从人类参与者收集的EBCare分析物信息在广泛的个性化健康护理应用中具有较大潜力（图5B-E）。EBCare口罩所启用的EBC分析在呼吸系统疾病患者中的临床应用价值也得到了评估，这些疾病包括慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘以及COVID-19感染后的情况（图5F-G）。由EBCare口罩收集的不同健康状况个体的多路传感器数据揭示了丰富的分子层面的个性化健康信息（图5H-L）。

图5. EBCare在健康和患者人群中进行EBC分析的体内评估。(A) 健康参与者全天候交叉活动的EBC分析，使用EBCare监测。(B) 一名COPD患者在临床研究中佩戴EBCare面罩的照片。(C) 健康参与者佩戴EBCare面罩监测的呼气酒精浓度与不同剂量酒精消费后的BAC呼气测试结果对比。(D) 在蛋白质挑战期间对EBCare的评估：在一天内摄入120克蛋白质前后EBC NH4 +和血清尿素浓度的变化。(E) EBC NH4 +与血清尿素浓度之间的相关性。(F) 参与者中EBC NO2 −浓度的测量，可能存在气道炎症的个体。EBC NO2 −浓度的统计分析：单因素方差分析及Tukey事后检验。(G) EBC NO2 −与呼气性一氧化氮（FeNO）之间的相关性。(H至L) 使用EBCare面罩对健康参与者(H)、当前吸烟者(I)、新近康复的COVID-19患者(J)、COPD患者(K)和哮喘患者(L)进行的具有实时传感器校准的体内多重EBC分析。

Wenzheng Heng et al. ,A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis.Science385,954-961(2024).DOI:10.1126/science.adn6471

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