小小口罩，也能发Science- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-10-16

导读：美国加州理工学院Wei Gao教授课题组在Science 杂志上报道了一款名为EBCare的智能口罩，具备自冷却系统，能够迅速将呼出的蒸气冷凝成液体，从而准确检测其中的亚硝酸盐含量

随着科技的发展，个性化的可穿戴健康监测设备越来越多，从手表、手环到各种智能贴片应有尽有。这些设备能够实时监测心率、血氧饱和度、葡萄糖等健康指标，让患者在家中也能更好地管理自己的身体状态。人类的呼吸过程中会释放许多临床标志物，如挥发性有机化合物（如丙酮和烷烃）、无机物质（如一氧化氮和氨）、细胞因子以及病原体（如病毒）。这些标志物以气体、气溶胶或液滴的形式被呼出，可以为疾病早期诊断和监测呼吸及代谢健康状况（如哮喘、慢性阻塞性肺疾病、COVID-19和结核病）提供宝贵的信息。

智能口罩检测呼吸中化学物质示意图。图片来源：Science

近日，美国加州理工学院Wei Gao教授课题组在Science 杂志上发表论文，报道了一款名为EBCare的智能口罩。与只能检测湿度或呼吸频率的设备不同，这款口罩具备自冷却系统，能够迅速将呼出的蒸气冷凝成液体，从而准确检测其中的亚硝酸盐含量——这是一种呼吸道炎症的标志物。此外，EBCare还能检测呼出气体中的氨/铵根含量，这与血液中的尿素水平紧密相关，为监测肾功能提供了新手段。

EBCare智能口罩。图片来源：Science News ^[1]

近年来，Wei Gao教授课题组在可穿戴生物传感器领域取得了令人瞩目的成果。仅去年，他们就在Science 和Nature 杂志子刊上发表了多篇关于汗液传感器的论文 ^[2-5]。传感器不但能够连续收集一系列关键的理化数据，包括葡萄糖、pH值、钠离子浓度、出汗率以及皮肤温度，还可以检测汗液中雌二醇（雌性激素），甚至可以实现可穿戴生物电子系统的3D打印。这些创新成果为个人健康监测提供了更为精准和全面的解决方案。

柔性指环，检测汗液中的激素。图片来源：Nat. Electron. ^[3]

本文中，研究人员采用了掺有银纳米粒子的水凝胶作为冷却材料，用于冷凝呼出的气体。这种水凝胶不仅具有抗菌作用，还能将表面温度降低4~14 °C。同时，使用微米级氧化铝与聚合物混合而成的超材料，作为EBCare的主要框架和防晒层，形成冷却系统。在室内环境中，EBCare的气体收集效率是未使用冷却系统时的五倍；在户外条件下，其效率是单独使用水凝胶冷却材料的两倍。即便在1倍太阳辐射的情况下，该设备仍能以每分钟约4微升的高效率收集呼出的气体。

EBCare呼气冷却系统的设计和表征。图片来源：Science

经常戴口罩的朋友都有体会，呼出的水汽容易附着在口罩内表面，导致呼吸更加不顺畅。EBCare口罩借鉴了植物叶片中水分通过毛细作用向上流动的原理，采用PDMS-b-PEG共聚物（掺杂1%），显著增强了内表面的亲水性。呼出气体冷凝后，液体通过微柱阵列产生的分级毛细力，自发传输至电化学传感器腔内，进行测试和分析。这种负压驱动的强毛细力可以确保EBCare在人体直立姿势下，液体只需3分钟即可流入传感腔；即使在仰卧姿势下，也能在5分钟内完成采集。此外，EBCare系统集成于口罩中上唇部位，能够有效减少唾液对设备的污染。

EBCare采集和传输系统的设计和表征。图片来源：Science

在测试系统中，多种传感器被集成在电化学生物传感器阵列中，能够同时动态监测NO₂⁻、酒精、NH₄⁺、pH和温度。其中，酒精和NO₂⁻传感器的电流信号与目标浓度呈线性关系，而pH和NH₄⁺传感器的电压信号与目标浓度的对数成正比。传感器表现出高度稳定性，并对其他干扰分子具有极高的选择性。阵列采用喷墨打印技术，打印在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上，既确保了柔性，又降低了批量生产的成本。可重复使用的柔性印刷电路板成本约为40美元，而一次性传感器贴片和微流控组件的成本仅为0.6美元。

电化学生物传感器阵列的设计和表征。图片来源：Science

为了评估EBCare口罩的临床实用性，研究者对健康个体和患者进行了连续采样分析。在对健康个体进行的14小时佩戴追踪研究中，午餐和晚餐后呼气中的NH₄⁺浓度显著上升，并且NH₄⁺浓度与血清中尿素浓度表现出相似的动态变化，线性相关系数（r）为0.846。这表明，呼气中的NH₄⁺可以作为血清中尿素的无创检测生物标志物，用于肾脏疾病管理和蛋白质代谢的监测。此外，健康个体呼气中的NO₂⁻含量保持在较低且稳定的水平，酒精浓度的变化则与酒精摄入及其代谢过程相一致。

随后，研究者使用EBCare口罩分析了吸烟者（10例）、新冠康复者（12例）、慢性阻塞性肺疾病患者（9例）、哮喘患者（10例）和健康对照组（31例）的呼气中NO₂⁻标志物。结果显示，哮喘组NO₂⁻浓度显著升高（P<0.0001），慢性阻塞性肺疾病患者的NO₂⁻浓度也较高，均超过健康对照组。这表明，EBCare口罩中NO₂⁻的检测在呼吸道炎症患者的诊断、监测和管理中具有潜在应用价值。

EBCare智能口罩对健康和患者群体的实际测试结果。图片来源：Science

“监测患者的呼吸是常规做法，但通常需要患者到医疗机构采样，并等待实验室结果，”Wei Gao教授说，“自从COVID-19疫情以来，人们越来越多地佩戴口罩，我们可以利用智能口罩实现远程个性化监测，实时反馈健康状况”，“这些初步研究只是概念验证阶段，但我们希望进一步拓展这项技术，整合多种与健康状况相关的标志物，构建一个多功能的健康监测平台”^[6]。

“这款口罩代表了呼吸和代谢疾病管理以及精准医学的新方向。我们能够轻松获取呼气样本，并通过日常佩戴实现对呼吸中化学分子的实时分析。呼吸冷凝液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，如代谢物、炎症标志物和病原体”，Wenzheng Heng（论文第一作者）补充说 ^[6]。

EBCare智能口罩设计示意图。图片来源：Science

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis

Wenzheng Heng, Shukun Yin, Jihong Min, Canran Wang, Hong Han, Ehsan Shirzaei Sani, Jiahong Li, Yu Song, Harry B. Rossiter, Wei Gao

Science 2024, 385, 954-961. DOI: 10.1126/science.adn6471

参考文献：

[1] Every breath you take, this mask will be watching your health

https://www.science.org/content/article/every-breath-you-take-mask-will-be-watching-your-health

[2] J. Min, et al., An autonomous wearable biosensor powered by a perovskite solar cell. Nat. Electron. 2023, 6, 630-641. DOI: 10.1038/s41928-023-00996-y

[3] J. Hiltunen, Continuous sweat monitoring on the go. Nat. Electron. 2023, 6, 557–558. DOI: 10.1038/s41928-023-01017-8

[4] C. Ye, et al., A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring. Nat. Nanotechnol. 2024, 19, 330-337. DOI: 10.1038/s41565-023-01513-0

[5] Y. Song, et al., 3D-printed epifluidic electronic skin for machine learning–powered multimodal health surveillance. Sci. Adv. 2023, 9, eadi6492. DOI: 10.1126/sciadv.adi6492

[6] Smart Mask Monitors Breath for Signs of Health

https://www.caltech.edu/about/news/smart-mask-monitors-breath-for-signs-of-health

导师介绍

Wei Gao

https://www.x-mol.com/university/faculty/49732

（本文由小希供稿）