Science重磅：高伟团队开发黑科技智能口罩，实时监测佩戴者的呼吸健康

学术 2024-09-05 23:27 上海

撰文丨nagashi

来源 | 生物世界公众号

如今，可实时监测健康的个性化可穿戴设备正在兴起，智能手表、无线检测器等多种类型的传感器可以监测佩戴者的心脏活动、炎症水平等，帮助患者在家中更好地管理自己的健康。现在，一种新型的可穿戴设备被添加到这个列表中——可监测呼吸的高科技智能口罩。

2024年8月29日，加州理工学院医学工程系高伟教授团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis（用于呼出气冷凝液收集和分析的智能口罩）的研究论文。

该研究开发了一种新型智能口罩，可用于监测一系列医疗状况，包括呼吸系统疾病（例如哮喘、慢性阻塞性肺病，以及COVID-19等）。与其他正在开发的监测温度、湿度或呼吸速率等物理变化的智能口罩不同，这款名为EBCare（“EBC”是“呼出气冷凝液”的英文缩写）的口罩能实时分析佩戴者呼出气体中的化学物质，可用于监测呼吸道疾病、酒精含量和肾脏损伤等。

COVID-19大流行以来，呼吸道疾病引起了广泛关注，但大多数呼吸道需要采集样本（例如咽拭子等）并经由专业仪器（例如PCR仪）进行检测，过程繁琐且人力、物料成本较高。值得注意的是，在新冠疫情爆发之后，人们习惯于佩戴口罩，因此可以利用口罩这一介质进行个性化分析，以实时监测佩戴者的健康状况。

呼出气冷凝液（EBC）是一种非常有前途的无创水性基质，可选择性地测量可溶气体和非挥发性生物标志物。近年来，基于EBC的生物标志物检测方法，以其操作简单、安全无创、重复性高、依从性好等优点，正在迅速走向临床。但遗憾的是，与样本收集相关的挑战和缺乏现场分析工具阻碍了EBC分析的广泛应用。

在这项最新研究中，高伟教授团队开发了一种机械软微流体智能口罩系统——EBCare，这种新型智能口罩可用于实时原位监测EBC生物标志物。基于串联冷却策略、自动化微流体、高选择性电化学生物传感器和无线读取电路，EBCare能够在日常生活中的室内和室外活动中连续监测EBC分析物。

EBCare工作原理图

事实上，高伟教授及其团队此前已经开发了一系列可穿戴生物传感器，可以分析人类汗液以测量代谢物、营养物质、激素和蛋白质水平。在新冠疫情爆发之后，高伟团队开始注意到EBC这种特殊的生物标志物，它可以实现对佩戴着的实时呼吸监测，但也带来了一系列新的挑战。

为了有选择地分析佩戴者EBC中的化学物质，首先需要将其冷却并浓缩成液体。在临床环境中，这一冷却步骤与分析分开进行——EBC在笨重的冷藏冷却器上冷凝后再进行分析。相比之下，研究团队开发的EBCare将水凝胶蒸发冷却与辐射冷却相结合，可以自动化冷凝佩戴者的EBC。

EBCare串联冷却设计的特性

EBC中含有可溶性气体以及以气溶胶或液滴形式存在的非挥发性物质，例如代谢物质、炎症标志物和病原体。因此，一旦EBC被转化为液体，EBCare中的自动化微流体模块立即将液体输送到传感器进行分析。然后，分析结果通过无线传输到个人手机、平板电脑或电脑上。高伟教授表示，这种智能口罩的制作成本相对低廉，成本仅在1美元左右。

为了测试EBCare的功能，研究团队进行了一系列试验，主要集中在哮喘或慢性阻塞性肺病患者身上。在EBCare的舒适度方面，大多数参与者均报告了良好的体验，即使是那些有呼吸疾病的患者。

EBCare的电化学传感阵列的原理图

研究团队通过EBCare监测了佩戴者呼吸中的亚硝酸盐水平，这是一种表征呼吸道炎症的化学物质。结果显示，EBCare准确地检测到这种生物标志物，并指示患者气道的炎症。在另一项试验中，研究团队证明了EBCare能够检测出人类受试者的血液酒精含量，这表明这种智能口罩可以用于酒后驾车的现场检查或其他形式的酒精监测。

不仅如此，研究团队还探究了EBCare在监测和管理肾脏疾病的应用。肾脏功能损伤会导致尿素等蛋白质代谢物在血液中积累，与此同时，唾液中的尿素也会增加，并被分解成氨气，这导致肾脏疾病患者的EBC中的铵含量更高。因此，EBCare可以通过监测佩戴者的EBC中铵的水平来实时反映血液中的尿素水平。

高伟教授表示，这些最初的研究是一个概念的证明，EBCare还只是一个原型。他们希望将这项技术扩展到与各种健康状况相关的不同生物标记物，这是创造一个多功能通用健康监测平台的口罩的基础。

EBCare用于EBC分析的整体评估

总而言之，这项发表于Science的研究开发了一种新型黑科技口罩——EBCare，并验证了这种智能口罩在评估健康参与者、慢性阻塞性肺疾病或哮喘患者以及COVID-19感染后患者的代谢状况和呼吸道炎症方面的可用性。在未来，EBCare将成为代表呼吸和代谢疾病管理和精准医学的新范例！

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6471

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