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当我们在感冒或发生鼻炎后被受鼻涕折磨的难以忍受，或是感染呼吸道疾病咳嗽不断时，我们在想：要是有技术可以监测呼吸道环境并且能够早早地告诉我们就好了！
人体气道内的粘液状况是指示炎症和气流畅通的重要生物标志物，但是截至目前它的监测仍然具有难度。目前临床中只能通过CT和支气管镜检查，显然这些方法存在辐射风险且低效。
如果有更便捷的方式，可以在医院之外实时监测气道粘液状态并给出快速反馈，这样就可以进行疾病早期筛查并进行及时干预以及个性化护理了。
11月7日， PNAS发表研究文章Sensory artificial cilia for in situ monitoring of airway physiological properties，范德堡大学的研究团队开发了一种能够持续监测人体气道中的粘液状况，能够更好地检测感染、气道阻塞或囊性纤维化 （CF）、慢性阻塞性肺病 （COPD） 和肺癌等疾病的严重程度。
研究者受生物纤毛传感能力的启发，开发了能够检测粘液状况的新技术，包括粘度和粘液层厚度。
粘液粘度的传感机制利用外部磁场来驱动磁性人工纤毛，并使用柔性应变计感应其形状。基于此，一种具有粘液层厚度电容感应功能的人工纤毛被提出，能够提供独特的自校准、可调节的灵敏度和范围，所有这些都由可穿戴磁驱动系统产生的外部磁场实现。
图 S1 用于感测粘液粘度和层厚度的传感人工纤毛的制造过程。过程结合了成型和激光加工。首先，在步骤 1 中，使用 CO2 激光在薄层聚酰亚胺 (PI) 胶带上诱导石墨烯。其次，在步骤 2 中，使用旋涂机将由 PDMS 和 NdFeB 制成的薄层磁性复合材料涂覆在石墨烯上。磁性复合材料固化后，石墨烯与其紧密结合，然后从 PI 层转移。随后，在步骤 3 中，加热过程有助于石墨烯从 PI 层释放，以便于转移。在步骤 4 中，使用紫外激光处理转移的 LIG 和磁性复合材料，以达到所需的尺寸和图案。该图案被设计为应变计以捕捉变形。在步骤 5 中，在粘度传感器的尖端添加一个小的磁性模块，以产生相对较大的弯曲扭矩。最后，在步骤 6 中，将粘度传感器磁化并连接到电路，使用银膏进行连接。传感器的长度为 1.75 毫米，宽度为 1.5 毫米，所有导电部件都用 Ecoflex 00-30 封装，以防止由于粘液浓度不同而导致的电阻变化。（图源：PNAS）
研究人员通过在人工气管和绵羊气管内独立部署传感器或与气道支架结合使用来测试该方法。为实现长时间监测，该系统还集成了低功耗蓝牙通信及电源系统。传感信号以无线方式传输到智能手机或云端，用于进一步的数据分析和疾病诊断。
图源：PNAS
研究所提出的传感机制和设备为实时监测粘液状况铺平了道路，有助于早期疾病检测和提供支架通畅警报，从而允许及时干预和个性化护理。
图源：PNAS
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Y. Wang, C. Negron, A. Khoshnaw, S. Edwards, H. Vu, J. Quatela, N. Park, F. Maldonado, C. Demarest, V. Simon, C. Oskay, X. Dong, Sensory artificial cilia for in situ monitoring of airway physiological properties, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (46) e2412086121, https://doi.org/10.1073/pnas.2412086121 (2024).
*作者水平有限，中文报道文章仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。
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作者 | 罗虎
参考 | PNAS
审核 | 医工学人理事会
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