Science，更了解呼吸的智能口罩

一、 【导读】  

呼吸是生物生存的最基本生命活动，其主要功能是氧气摄入与代谢废气排出。然而，呼吸的奥秘远不止于此。它是一个蕴含丰富生物学信息的过程，物理层面上说，从呼吸频率到呼吸声音，都能反映生物体的生理状态。从化学分子层面来看，呼吸是各种气体和非挥发性生物标记物的载体（气体，气溶胶，飞沫液滴等），为我们打开了了解人体健康的一扇窗户。

例如，糖尿病患者的呼吸中常带有"坏苹果"的气味，这是由于体内代谢异常导致呼出气体中丙酮含量升高所致；肾病病人由于呼出过多的氨气而被形容为“尿”味呼吸。近年来备受关注的呼吸道传染病，如COVID-19，也可通过呼出的气溶胶进行传播。这些现象都凸显了呼吸分析在疾病诊断和健康监测中的潜在价值。

然而，对于这种流动性强的气态样本进行采集和分析是极具挑战性的。加州理工学院的高伟（Wei Gao）教授课题团队采用一个巧妙的解决方案：呼吸冷凝物（Exhaled Breath Condensate，EBC）。类似于冬天呼出的哈气在冷表面形成的水雾，呼出气冷凝液EBC是呼出气体遇到冷凝界面产生的液态基质。这种液体蕴藏着丰富的化学分子信息，包括以可溶性气体、气溶胶或液滴形式呼出的小分子生物标志物（如丙酮、氨、白三烯等）、细胞因子和病原体（如SARS-CoV-2、结核杆菌特征物）。

EBC的分析可以揭示人体的各种健康状况，为多种呼吸系统和代谢疾病（如哮喘、慢性阻塞性肺病、COVID-19、肺癌、肺结核、糖尿病、慢性肾病等）的早期诊断、监测和管理提供宝贵信息。

在临床实践中，医生们使用冷凝管或专门的冷凝仪器收集EBC，然后通过质谱法或荧光测定法进行实验室分析，以评估气道炎症和物质代谢情况。然而，将这些方法应用于家庭健康监测面临着诸多挑战，包括人力、时间、经济和能源成本等。此外，样品处理和储存过程中活性物质的降解、口腔成分的干扰以及缺乏连续动态信息等问题也严重阻碍了EBC检测的广泛应用。同时，以往的EBC研究过于关注有限的气道炎症氧化应激分析物，而相对忽视了其他具有生物学意义的标记物，如代谢产物、微生物标记物和肿瘤标记物。

二、【成果掠影】

为了更准确、深入和全面地解读EBC所蕴含的人体生理信息，在数字健康时代，我们亟需解决高保真、实时、长期和原位监测各种EBC生物标记物的新挑战。为此，加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授团队提出了一种创新的可穿戴式EBC监测智能口罩概念，其核心是在日常口罩上集成机械软微流体装置，实现口罩上对于呼气冷凝液的即位收集，更新与监测。相关成果以（A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis）为题发表在《Science》上。加州理工学院博士生衡文正为第一作者。

 三、【核心创新点】

这个创新系统主要由四个核心部分组成：呼吸冷凝、液体传输、电化学检测和人体穿戴实验。每个部分都融合了技术创新，共同构建了一个微型化、智能化的呼吸分析平台。

呼吸冷凝是整个系统的基础。为解决这些问题，新系统采用了一种创新的被动式微型持续冷却策略，结合了辐射冷却和基于水凝胶的蒸发冷却等新兴技术。这种方法将整个冷却系统的尺寸缩小到约3厘米，重量仅4克，真正实现了可穿戴化。同时，研究人员还特别关注了EBC采集界面材料的特性。理想的材料应具有高亲水性，以促进液滴的成核和聚集，同时又不应粘附EBC中的生物标记物。考虑到可穿戴设备的应用场景和呼吸道传染病的流行，材料的生物相容性和抗菌特性也是重要的考虑因素。

液体传输环节借鉴了生物仿生学原理，模仿植物体内液体从根部自主流向叶片的机制。研究人员利用聚偏二甲基硅氧烷（PDMS）的可重构性，构建了具有密度和高度梯度的微柱和微通道阵列，形成了具有毛细力梯度的结构。这种设计能够稳定、持续地更新EBC的流动，甚至不受重力方向的影响。电化学传感器被巧妙地集成在这些自主流动的微流体通道内，实现了稳定、持续的监测。此外，受树叶蒸腾压力的启发，该装置还利用冷却水凝胶作为"人造树叶"，产生蒸发压力，吸收已经检测过的EBC液体，并将其作为冷却水源的补充。这种循环设计大大提高了系统的持续工作能力。

电化学检测部分采用了基于喷墨打印技术的创新方法，开发出一种可大规模生产、高选择性、高灵敏度的电化学传感器阵列，用于多重分析各种EBC生物标志物。与此同时，系统还集成了一种柔性印刷电路板，用于处理和校准人体传感器的信号读数。经过处理的数据可以无线传输到用户的智能手机上，实现实时健康监测。考虑到成本因素，传感器贴片被设计为一次性产品，可通过激光切割或喷墨打印以低成本大量生产，而电子元件则可重复使用。整个系统的成本控制在较低水平，传感器贴片和主体设备的成本约为1.2美元，这为其大规模应用奠定了经济基础。

通过这些技术创新，该系统不仅解决了欧洲呼吸学会权威指南中列出的EBC采集和分析方面的众多技术难题，更重要的是，成功克服了长期阻碍该领域发展的关键问题，如唾液污染、鼻/口呼吸模式差异、实时性低以及无法进行长期监测等。

这个"口罩上的微型实验室"通过持续监测人体呼吸的分子成分，能够实时捕捉并分析用户的呼吸和代谢数据，为日常生活和疾病管理提供连续的健康监测。这种实时监测不仅有助于揭示人体的酒精代谢、与蛋白质代谢和尿素水平（可用于肾病监测）相关的铵根含量，还能帮助哮喘和慢性阻塞性肺病患者监测炎症因子亚硝酸根的浓度以跟踪病情变化、优化治疗方案和采取预防措施。

 四、【数据概览】

图1  智能口罩，可高效采集和连续分析呼出气体冷凝物 

图2  EBCare 用于呼吸冷凝的串联冷却设计的特性 

图3  用于 EBC 采样、传输和刷新的 EBCare 设备的微流体设计 

图4  用于原位多路复用 EBC 分析的无线电化学生物传感器阵列的设计与表征 

图5 智能口罩用于健康人群和患者人群 EBC 分析的人体评估 

五、【成果启示】

作为一个综合性的呼吸研究平台，这项技术有潜力促进肺病和传染病的早期诊断，推动及时的医疗干预，从而降低死亡率和并发症发生率。此外，它还为个性化医疗提供了有力支持，使医生能够根据患者的实时生理数据量身定制治疗方案，从而提高治疗效果和患者满意度。

总的来说，这项创新技术代表了呼吸健康监测领域的一次突破。它将复杂的实验室分析技术微型化、便携化，使得连续、实时的呼吸健康监测成为可能。这不仅为慢性疾病管理提供了新的工具，也为传染病防控和公共卫生监测开辟了新的途径。随着这项技术的进一步发展和完善，我们有理由相信，未来的健康管理将更加精准、个性化和便捷，真正实现"呼吸可测，健康可知"的愿景。

原文详情：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