Science | 一种用于呼出气体冷凝物收集与分析的智能口罩

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加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）团队，在《Science》上发布了一篇题为“A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis”的论文。论文内容如下：

一、摘要

近期的呼吸道疫情引起了广泛关注，然而大多数呼吸监测仍局限于物理信号的收集。呼气冷凝液（Exhaled breath condensate，EBC）蕴含丰富的分子信息，能够揭示个体健康的多种生理信息。然而，样本采集相关的挑战以及缺乏现场分析工具阻碍了EBC分析的广泛应用。在这里，作者介绍EBCare，这是一种基于口罩的设备，用于实时现场监测EBC生物标志物。EBCare采用串联冷却策略、自动化微流体技术、高选择性的电化学生物传感器以及无线读取电路，实现了在现实生活中的室内和室外活动中对EBC分析物的持续多模态监测。作者验证了EBCare在评估健康参与者、慢性阻塞性肺病或哮喘患者以及COVID-19感染后患者的代谢状态和呼吸道炎症方面的可用性。

二、背景介绍

呼吸系统的流行病和大流行突显了对呼吸系统进行全面研究的迫切和关键需求。一些具有临床意义的分子分析物，如挥发性有机化合物（VOCs，例如丙酮和烷烃）、无机物质（例如一氧化氮和氨）、细胞因子以及病原体（例如严重急性呼吸综合症冠状病毒2型），以气体、气溶胶或液滴的形式被呼出。理论上，对呼出的生物标志物进行实时和持续的分析，可能为早期诊断、监测和管理多种呼吸及代谢健康状况提供宝贵的见解，包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、新冠病毒肺炎（COVID-19）、肺癌、结核病等。然而，尽管前景广阔，目前用于研究人类呼吸的工具仍然受到严重限制。现有的呼出气分子生物标志物的实时无线监测方法主要限于呼吸酒精测试，而基于气体传感器的“电子鼻”尽管正在积极研究，但由于选择性不足，限制了其实用性。

呼气凝结物（EBC）是一种极具前景的非侵入性水相基质，可以选择性地测量可溶性气体和非挥发性生物标志物，以实现个性化健康护理（图1A）。在临床实践中，EBC通过商业冷凝器或专用冷凝仪器进行收集，随后在实验室环境中利用质谱或光度测定法进行分析，以评估气道炎症和物质代谢。然而，这些方法在家庭远程检测中的实施受到劳动力、时间、金钱和能源成本等方面的挑战。此外，反应物质（如亚硝酸盐和过氧化氢）在采样和存储过程中的降解、口腔成分的干扰以及缺乏连续动态信息等问题，阻碍了EBC检测的实际和广泛应用。口罩是个人防护和呼气采样的理想可穿戴平台，基于口罩的呼气气溶胶（EBA）设备的最新进展在即时分析中显示出一定的前景，但其对外部介质进行样本提取的依赖引入了稳定性和重复性方面的挑战，限制了其在持续监测中的适用性。

在此，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）。与依赖冰桶或制冷的传统EBC收集设备相比，EBCare能够通过串联被动冷却技术有效冷凝呼气蒸汽，这些技术整合了水凝胶蒸发冷却、超材料辐射冷却以及具有高热导率的设备框架。受生物启发的微流体模块通过利用表面亲水性驱动的毛细作用和微工程化的梯度柱阵列显著提高了EBC的收集与运输效率（图1B和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。

三、内容详解

3.1 呼气冷凝的串联冷却策略

EBC采集在实现高时间分辨率的实时和连续EBC生物标志物分析中发挥了基础性作用。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（）球体组成。

在环境条件下运行时，琼脂糖水凝胶中的水分自然蒸发，吸收周围的热量，显著降低了水凝胶的温度。将银纳米颗粒添加到水凝胶中，不仅引入了强大的抗生素效果，还增强了EBCare在长期体表使用中的生物相容性。使用加热源模拟呼吸产生的热量表明，在不同的相对湿度 (RH) 和环境温度下，水凝胶蒸发可有效将表面温度降低 4- 14°C（图 2D）。

在强烈的太阳辐射下，由于水凝胶吸收阳光，EBCare温度的潜在升高可能会影响户外佩戴时的呼吸凝结现象。为了解决这一问题，设备设计中集成了串联辐射冷却功能，采用了作为主要EBCare框架和遮阳层的超材料PDMS:PDMS-b-PEG/Al2O3。由于在太阳光谱下球形铝氧化物微粒的米散射以及聚合物基体在中红外（MIR）区域的强发射特性，该混合聚合物超材料实现了约95%的太阳反射率和约95%的MIR热发射率（图2C）。这种光学特性有效地减少了太阳辐射的吸收，并通过大气窗口在中红外（MIR）范围内向外太空辐射热量，从而确保在户外环境中即使在强烈阳光照射下，冷凝过程仍然具有高效率。

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。

EBCare的双重冷却效果在白天和夜晚的室内和室外环境中进行了评估，并与不具备冷却功能的普通面料口罩材料以及仅采用单一冷却方法的材料（独立暴露的水凝胶和PDMS:PDMS-b-PEG/ 框架）进行了比较（图2E和视频S2）。EBCare设备在夜间的室内和室外测试中表现出温度比单一辐射冷却材料低约7°C，比非辐射冷却口罩材料低约10°C。通过比较健康参与者在日常室内和室外环境下的EBC收集结果，表明通过串联被动冷却策略实现了高效、连续和长期的EBC冷凝（图2F和G）。

视频S2

3.2 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

植物中水分和化学物质的自然输送主要依赖于毛细现象。在植物中，水分通过叶片的气孔蒸发，转化为水蒸气。此过程导致叶片内部水分含量的减少，从而在植物的微小亲水木质部导管内产生负压。因此，水分通过毛细力从土壤中被吸引向上，以满足植物的水分需求。受到这一生物过程的启发，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3A）。

EBCare设备内表面的亲水性界面，类似于木质部导管，对于通过微流体实现收集的EBC的自动循环至关重要。在作者的研究中，将共聚物PDMS-b-PEG的掺杂比例提高至1%在EBCare的主要框架材料（PDMS: PDMS-b-PEG/ ）中显著增强了亲水性，接触角降低至15.5°，这得益于C-O键表面分布的增加（图3B）。在 EBCare 设备的亲水内表面捕获 EBC 后，EBC 自发且高效地定向传输到传感储液器，这得益于由具有高度和密度梯度的微柱阵列产生的分级毛细管力（图3C和D，视频S3和S4）。稳定的EBC持续流经传感储存室，在此通过内置的电化学传感器进行分析。随后，受EBCare外表面覆盖的水凝胶微通道所产生的强毛细力驱动，EBC自动通过内外界面之间的排放柱转移至设备的外表面，并通过微流体通道有效地逆重力输送（图3E）。然后，EBC被水凝胶吸收，并伴随水凝胶的蒸发，为水凝胶的蒸发冷却提供了持续的水源。

视频S3

视频S4

通过将阻抗传感器整合到传感储液器中，作者在健康参与者中评估了EBCare的EBC采样能力，考虑了不同的内表面材料和结构（图3F和G）。结果显示，由原始聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的设备在直立和仰卧条件下均无法将EBC采样到传感储液器中，原因在于其疏水性表面。采用平面亲水性PDMS:PDMS-b-PEG/ 的设备仅在直立条件下能够接触到EBC，此时重力作为驱动力。相比之下，由具有梯度微结构的亲水性PDMS:PDMS-b-PEG/ 构建的EBCare设备，即使在仰卧姿势下，也能在5分钟内有效收集和运输EBC到传感储液器中。

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/ 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。

3.3 无线电化学生物传感器阵列用于多重呼气气体分析

为了展示EBCare的可穿戴应用，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。该机械柔性且一次性的传感器阵列包括安培法亚硝酸盐（）和酒精传感器、测量离子选择性的电位法pH和传感器，以及一个电阻温度传感器（图4A）。该电化学传感器可以通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等柔性基材上进行喷墨打印，以低成本大规模生产。完全集成的EBCare准确且同时监测集成的、酒精、、pH和温度传感器的动态响应；所有生物传感器在连续微流体传感过程中表现出高稳定性，并对其他干扰分子具有高选择性，展示了在原位可穿戴EBC分析中的巨大潜力（图4B-H）。

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、pH、酒精、及温度。(B和C) 在含有不同分析物浓度的人工呼气液（400 mM ）中，酶促酒精传感器(B)和传感器(C)的安培响应。(D和E) 在标准分析物溶液中，离子选择性传感器(D)和基于聚苯胺的pH传感器(E)的开路电位响应。(F) 和传感器的验证，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。

3.4 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 和血清尿素浓度的变化。(E) EBC 与血清尿素浓度之间的相关性。(F) 参与者中EBC 浓度的测量，可能存在气道炎症的个体。EBC 浓度的统计分析：单因素方差分析及Tukey事后检验。(G) EBC 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。

四、全文总结

与传统耗时的实验室呼气生物成分（EBC）测试或分析汗液或唾液的可穿戴生物传感器不同，EBCare能够以高选择性和高时间分辨率持续收集呼气中的复杂分子信息。EBCare无缝集成于日常口罩中，采用无动力的串联冷却策略以实现稳定和持续的呼气冷凝，预设的毛细力梯度设计确保自动采样和EBC的刷新，以及一次性多重电化学生物传感器阵列用于在日常活动中高精度动态监测呼气生物标志物。 EBCare引入了一种动态、用户友好且实时的检测平台，克服了传统临床 EBC 领域中唾液污染、持续监测、可穿戴跟踪、延长分析时间、鼻呼吸冷凝液收集和经济高效的监测等复杂挑战。

▼参考资料

Wenzheng Heng et al., A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis.Science385,954-961(2024).DOI:10.1126/science.adn6471024-00341-z

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