Science，更了解呼吸的智能口罩

一、?【導讀】 ?

呼吸是生物生存的最基本生命活動，其主要功能是氧氣攝入與代謝廢氣排出。然而，呼吸的奧秘遠不止于此。它是一個蘊含豐富生物學信息的過程，物理層面上說，從呼吸頻率到呼吸聲音，都能反映生物體的生理狀態。從化學分子層面來看，呼吸是各種氣體和非揮發性生物標記物的載體（氣體，氣溶膠，飛沫液滴等），為我們打開了了解人體健康的一扇窗戶。

例如，糖尿病患者的呼吸中常帶有"壞蘋果"的氣味，這是由于體內代謝異常導致呼出氣體中丙酮含量升高所致；腎病病人由于呼出過多的氨氣而被形容為“尿”味呼吸。近年來備受關注的呼吸道傳染病，如COVID-19，也可通過呼出的氣溶膠進行傳播。這些現象都凸顯了呼吸分析在疾病診斷和健康監測中的潛在價值。

然而，對于這種流動性強的氣態樣本進行采集和分析是極具挑戰性的。加州理工學院的高偉（Wei Gao）教授課題團隊采用一個巧妙的解決方案：呼吸冷凝物（Exhaled Breath Condensate，EBC）。類似于冬天呼出的哈氣在冷表面形成的水霧，呼出氣冷凝液EBC是呼出氣體遇到冷凝界面產生的液態基質。這種液體蘊藏著豐富的化學分子信息，包括以可溶性氣體、氣溶膠或液滴形式呼出的小分子生物標志物（如丙酮、氨、白三烯等）、細胞因子和病原體（如SARS-CoV-2、結核桿菌特征物）。

EBC的分析可以揭示人體的各種健康狀況，為多種呼吸系統和代謝疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺病、COVID-19、肺癌、肺結核、糖尿病、慢性腎病等）的早期診斷、監測和管理提供寶貴信息。

在臨床實踐中，醫生們使用冷凝管或專門的冷凝儀器收集EBC，然后通過質譜法或熒光測定法進行實驗室分析，以評估氣道炎癥和物質代謝情況。然而，將這些方法應用于家庭健康監測面臨著諸多挑戰，包括人力、時間、經濟和能源成本等。此外，樣品處理和儲存過程中活性物質的降解、口腔成分的干擾以及缺乏連續動態信息等問題也嚴重阻礙了EBC檢測的廣泛應用。同時，以往的EBC研究過于關注有限的氣道炎癥氧化應激分析物，而相對忽視了其他具有生物學意義的標記物，如代謝產物、微生物標記物和腫瘤標記物。

二、【成果掠影】

為了更準確、深入和全面地解讀EBC所蘊含的人體生理信息，在數字健康時代，我們亟需解決高保真、實時、長期和原位監測各種EBC生物標記物的新挑戰。為此，加州理工學院醫學工程系高偉（Wei Gao）教授團隊提出了一種創新的可穿戴式EBC監測智能口罩概念，其核心是在日常口罩上集成機械軟微流體裝置，實現口罩上對于呼氣冷凝液的即位收集，更新與監測。相關成果以（A smart mask for exhaled breath condensate?harvesting and analysis）為題發表在《Science》上。加州理工學院博士生衡文正為第一作者。

?三、【核心創新點】

這個創新系統主要由四個核心部分組成：呼吸冷凝、液體傳輸、電化學檢測和人體穿戴實驗。每個部分都融合了技術創新，共同構建了一個微型化、智能化的呼吸分析平臺。

呼吸冷凝是整個系統的基礎。為解決這些問題，新系統采用了一種創新的被動式微型持續冷卻策略，結合了輻射冷卻和基于水凝膠的蒸發冷卻等新興技術。這種方法將整個冷卻系統的尺寸縮小到約3厘米，重量僅4克，真正實現了可穿戴化。同時，研究人員還特別關注了EBC采集界面材料的特性。理想的材料應具有高親水性，以促進液滴的成核和聚集，同時又不應粘附EBC中的生物標記物。考慮到可穿戴設備的應用場景和呼吸道傳染病的流行，材料的生物相容性和抗菌特性也是重要的考慮因素。

液體傳輸環節借鑒了生物仿生學原理，模仿植物體內液體從根部自主流向葉片的機制。研究人員利用聚偏二甲基硅氧烷（PDMS）的可重構性，構建了具有密度和高度梯度的微柱和微通道陣列，形成了具有毛細力梯度的結構。這種設計能夠穩定、持續地更新EBC的流動，甚至不受重力方向的影響。電化學傳感器被巧妙地集成在這些自主流動的微流體通道內，實現了穩定、持續的監測。此外，受樹葉蒸騰壓力的啟發，該裝置還利用冷卻水凝膠作為"人造樹葉"，產生蒸發壓力，吸收已經檢測過的EBC液體，并將其作為冷卻水源的補充。這種循環設計大大提高了系統的持續工作能力。

電化學檢測部分采用了基于噴墨打印技術的創新方法，開發出一種可大規模生產、高選擇性、高靈敏度的電化學傳感器陣列，用于多重分析各種EBC生物標志物。與此同時，系統還集成了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。經過處理的數據可以無線傳輸到用戶的智能手機上，實現實時健康監測。考慮到成本因素，傳感器貼片被設計為一次性產品，可通過激光切割或噴墨打印以低成本大量生產，而電子元件則可重復使用。整個系統的成本控制在較低水平，傳感器貼片和主體設備的成本約為1.2美元，這為其大規模應用奠定了經濟基礎。

通過這些技術創新，該系統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，成功克服了長期阻礙該領域發展的關鍵問題，如唾液污染、鼻/口呼吸模式差異、實時性低以及無法進行長期監測等。

這個"口罩上的微型實驗室"通過持續監測人體呼吸的分子成分，能夠實時捕捉并分析用戶的呼吸和代謝數據，為日常生活和疾病管理提供連續的健康監測。這種實時監測不僅有助于揭示人體的酒精代謝、與蛋白質代謝和尿素水平（可用于腎病監測）相關的銨根含量，還能幫助哮喘和慢性阻塞性肺病患者監測炎癥因子亞硝酸根的濃度以跟蹤病情變化、優化治療方案和采取預防措施。

?四、【數據概覽】

圖1 ?智能口罩，可高效采集和連續分析呼出氣體冷凝物?

圖2 ?EBCare 用于呼吸冷凝的串聯冷卻設計的特性?

圖3 ?用于 EBC 采樣、傳輸和刷新的 EBCare 設備的微流體設計?

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?

圖5 智能口罩用于健康人群和患者人群 EBC 分析的人體評估?

五、【成果啟示】

作為一個綜合性的呼吸研究平臺，這項技術有潛力促進肺病和傳染病的早期診斷，推動及時的醫療干預，從而降低死亡率和并發癥發生率。此外，它還為個性化醫療提供了有力支持，使醫生能夠根據患者的實時生理數據量身定制治療方案，從而提高治療效果和患者滿意度。

總的來說，這項創新技術代表了呼吸健康監測領域的一次突破。它將復雜的實驗室分析技術微型化、便攜化，使得連續、實時的呼吸健康監測成為可能。這不僅為慢性疾病管理提供了新的工具，也為傳染病防控和公共衛生監測開辟了新的途徑。隨著這項技術的進一步發展和完善，我們有理由相信，未來的健康管理將更加精準、個性化和便捷，真正實現"呼吸可測，健康可知"的愿景。

原文詳情：Heng, S. Yin, J. Min, C. Wang, H. Han, E. Shirzaei Sani, J. Li, Y. Song, H. B. Rossiter, W. Gao*, A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis, Science, 2024, in press.

本文由 真新是 供稿