呼吸道流行病和大流行强调了对呼吸系统进行全面研究的紧迫性和重要性。多种具有临床意义的分子分析物，如VOCs，如丙酮和烷烃等以气体、气溶胶或液滴的形式被呼出。理论上，对呼出气体生物标志物的实时和连续分析可为多种呼吸和代谢健康状况的早期诊断、监测和管理提供宝贵的数据。然而，尽管有这种潜力，用于研究人类呼吸的工具仍然严重受限。现有的用于呼出气体分子标志物的实时和无线监测方法主要限于呼气酒精测试，尽管“电子鼻”基于气体传感器并正在积极研究中，但其选择性不足以进行实际的呼出气体分析。

近日，加州理工学院医学工程系Wei Gao教授团队在Science发表了题为“A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis”的文章。该研究介绍了一种机械柔软的微流体智能口罩系统（EBCare），旨在实现连续的呼出气体冷凝、自动捕获和传输呼出气体冷凝液（EBC），以及实时现场EBC生物标志物分析。

EBCare设备内表面的亲水界面类似于木质部管道，对于基于微流体技术实现EBC的自动回流具有关键作用。在本研究中，通过在EBCare主框架材料中（PDMS：PDMS-b-PEG/Al₂O₃），将共聚物PDMS-b-PEG的掺杂比例增加至1%，显著提高了材料的亲水性。这种增强的亲水性相较于疏水表面在EBC的成核、聚集和收集方面展现出显著优势。此外，该混合材料展示出优异的生物抗粘附和防污特性，使其非常适合用于EBC采样及高精度原位生物分析。在EBC被亲水界面捕获后，能够自发且高效地定向运输至传感储液池。在稳定的流动过程中，EBC持续流经传感储液池，由内置的电化学传感器进行分析。

智能口罩集成了电化学生物传感器阵列，以便进行多重呼出气体冷凝液（EBC）的原位分析。具有机械柔性的可抛弃传感器阵列包含多种功能：用于检测亚硝酸盐和酒精的安培传感器、用于测定pH值和NH4+的选择性离子电位传感器，以及一个电阻温度传感器。EBC被表征为一种具有低离子强度和高稀释度的溶液，其中NH4+是主导的阳离子组分，对其电导率有显著影响。

为实现无线多重可穿戴EBC分析，研究人员设计了一种柔性印刷电路板（FPCB），用于多模态电化学测量（包括伏安法、电位滴定法和阻抗测量）、信号处理及无线通信。EBCare具有三种操作模式以优化功耗：运行模式、低功耗模式和超低功耗间歇模式。这些模式通过调整电化学测量和数据收集过程，实现长期连续传感的高效性。完全集成的EBCare能够准确且同步监测NO₂⁻、酒精、NH₄⁺、pH及温度传感器的动态响应。所有生物传感器在连续微流体感测过程中表现出高度稳定性，并对其他干扰分子显示出良好的选择性，展示了用于原位可穿戴EBC分析的巨大潜力。对于该集成系统，可重复使用的FPCB造价约为40美元，而一次性传感器贴片和微流体组件的成本分别约为0.60美元。

EBCare 系统具备高选择性和时间分辨率能力，能够持续监测并收集呼出气体中的复杂分子信息。该系统无缝嵌入日常使用的口罩中，采用无电源的串联冷却策略，以实现呼出气体的稳定和持续冷凝。通过预设计的毛细力梯度，该系统可以自动采样和刷新呼出气体，同时，配置了一次性多重电化学生物传感器阵列，从而能够在日常活动中以高精度实时监测呼出气生物标志物。EBCare 作为一个多功能、便捷、高效的实时研究平台，具有显著应用价值，对各种医学领域的研究做出贡献，为未来的临床和医学研究提供了强大而有效的工具。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6471

注：此研究成果摘自《Science》杂志，文章内容并不代表本网站的观点和和立场，仅供参考。