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嘉峪檢測網 2024-09-04 08:35
加州理工學院醫學工程系高偉（Wei Gao）團隊，在《Science》上發布了一篇題為“A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis”的論文。論文內容如下：
一、摘要
近期的呼吸道疫情引起了廣泛關注，然而大多數呼吸監測仍局限于物理信號的收集。呼氣冷凝液（Exhaled breath condensate，EBC）蘊含豐富的分子信息，能夠揭示個體健康的多種生理信息。然而，樣本采集相關的挑戰以及缺乏現場分析工具阻礙了EBC分析的廣泛應用。在這里，作者介紹EBCare，這是一種基于口罩的設備，用于實時現場監測EBC生物標志物。EBCare采用串聯冷卻策略、自動化微流體技術、高選擇性的電化學生物傳感器以及無線讀取電路，實現了在現實生活中的室內和室外活動中對EBC分析物的持續多模態監測。作者驗證了EBCare在評估健康參與者、慢性阻塞性肺病或哮喘患者以及COVID-19感染后患者的代謝狀態和呼吸道炎癥方面的可用性。
二、背景介紹
呼吸系統的流行病和大流行突顯了對呼吸系統進行全面研究的迫切和關鍵需求。一些具有臨床意義的分子分析物，如揮發性有機化合物（VOCs，例如丙酮和烷烴）、無機物質（例如一氧化氮和氨）、細胞因子以及病原體（例如嚴重急性呼吸綜合癥冠狀病毒2型），以氣體、氣溶膠或液滴的形式被呼出。理論上，對呼出的生物標志物進行實時和持續的分析，可能為早期診斷、監測和管理多種呼吸及代謝健康狀況提供寶貴的見解，包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、新冠病毒肺炎（COVID-19）、肺癌、結核病等。然而，盡管前景廣闊，目前用于研究人類呼吸的工具仍然受到嚴重限制。現有的呼出氣分子生物標志物的實時無線監測方法主要限于呼吸酒精測試，而基于氣體傳感器的“電子鼻”盡管正在積極研究，但由于選擇性不足，限制了其實用性。
呼氣凝結物（EBC）是一種極具前景的非侵入性水相基質，可以選擇性地測量可溶性氣體和非揮發性生物標志物，以實現個性化健康護理（圖1A）。在臨床實踐中，EBC通過商業冷凝器或專用冷凝儀器進行收集，隨后在實驗室環境中利用質譜或光度測定法進行分析，以評估氣道炎癥和物質代謝。然而，這些方法在家庭遠程檢測中的實施受到勞動力、時間、金錢和能源成本等方面的挑戰。此外，反應物質（如亞硝酸鹽和過氧化氫）在采樣和存儲過程中的降解、口腔成分的干擾以及缺乏連續動態信息等問題，阻礙了EBC檢測的實際和廣泛應用。口罩是個人防護和呼氣采樣的理想可穿戴平臺，基于口罩的呼氣氣溶膠（EBA）設備的最新進展在即時分析中顯示出一定的前景，但其對外部介質進行樣本提取的依賴引入了穩定性和重復性方面的挑戰，限制了其在持續監測中的適用性。
在此，作者介紹了一種機械柔性微流體智能口罩系統，稱為EBCare（呼氣冷凝液分析與呼吸評估），該系統旨在實現持續的呼氣冷凝、自動EBC捕集與運輸，以及實時原位EBC生物標志物分析（圖1A-C）。與依賴冰桶或制冷的傳統EBC收集設備相比，EBCare能夠通過串聯被動冷卻技術有效冷凝呼氣蒸汽，這些技術整合了水凝膠蒸發冷卻、超材料輻射冷卻以及具有高熱導率的設備框架。受生物啟發的微流體模塊通過利用表面親水性驅動的毛細作用和微工程化的梯度柱陣列顯著提高了EBC的收集與運輸效率（圖1B和C）。EBCare支持高時間分辨率的EBC收集與運輸，使其成為實時連續原位分析的理想選擇。EBCare系統能夠實現高度靈敏、選擇性和連續的EBC生物標志物分析，得益于與柔性印刷電路板（FPCB）相結合的納米工程電化學傳感器陣列，用于信號處理和無線通信（圖1D和E）。分析后，EBC的排出被冷卻水凝膠吸收，確保持續的水分補給，以實現可持續的蒸發冷卻。
圖1. 一種智能EBCare（呼氣冷凝物分析與呼吸評估）面罩，用于高效收集和持續分析呼氣冷凝物。(A) EBCare能夠進行呼氣冷凝、EBC收集與運輸，以及對人類呼吸道生物標志物的持續分析。(B和C) EBCare設備主要組件的爆炸視圖示意圖(B)和橫截面光學圖像(C)。比例尺，4mm。(D) 示意圖展示了與EBCare設備集成的智能面罩的擴展視圖和內部視圖。FPCB，柔性印刷電路板。(E) 一名參與者佩戴的完全集成的無線智能面罩照片。
三、內容詳解
3.1 呼氣冷凝的串聯冷卻策略
EBC采集在實現高時間分辨率的實時和連續EBC生物標志物分析中發揮了基礎性作用。為了在多種現實生活中的室內和室外場景中有效地將冷凝表面溫度降至呼氣的露點，EBCare采用了一種串聯的被動冷卻策略，該策略結合了水凝膠蒸發和輻射冷卻（圖2A和B）。EBCare的主要結構框架采用具有高熱導率和理想輻射冷卻特性的陶瓷鋁酸鹽-聚合物混合超材料（圖2C），其由均勻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）的聚合物基體中的微米級鋁氧化物（ ）球體組成。
在環境條件下運行時，瓊脂糖水凝膠中的水分自然蒸發，吸收周圍的熱量，顯著降低了水凝膠的溫度。將銀納米顆粒添加到水凝膠中，不僅引入了強大的抗生素效果，還增強了EBCare在長期體表使用中的生物相容性。使用加熱源模擬呼吸產生的熱量表明，在不同的相對濕度 (RH) 和環境溫度下，水凝膠蒸發可有效將表面溫度降低 4- 14°C（圖 2D）。
在強烈的太陽輻射下，由于水凝膠吸收陽光，EBCare溫度的潛在升高可能會影響戶外佩戴時的呼吸凝結現象。為了解決這一問題，設備設計中集成了串聯輻射冷卻功能，采用了作為主要EBCare框架和遮陽層的超材料PDMS:PDMS-b-PEG/Al2O3。由于在太陽光譜下球形鋁氧化物微粒的米散射以及聚合物基體在中紅外（MIR）區域的強發射特性，該混合聚合物超材料實現了約95%的太陽反射率和約95%的MIR熱發射率（圖2C）。這種光學特性有效地減少了太陽輻射的吸收，并通過大氣窗口在中紅外（MIR）范圍內向外太空輻射熱量，從而確保在戶外環境中即使在強烈陽光照射下，冷凝過程仍然具有高效率。
圖2. EBCare的串聯冷卻設計用于呼吸冷凝的表征。(A) EBCare設備的示意圖，具備室內和室外同時冷卻的能力，以實現高效的呼吸冷凝。UV，紫外線；NIR，近紅外；MIR，中紅外。(B) EBCare設備在室內、陽光明媚的室外和夜間室外環境中的照片。比例尺，5mm。(C) 一種聚合物超材料薄膜（厚度為0.5mm）的光譜發射率。紅色和藍色分別表示AM 1.5太陽光譜和大氣窗口。(D) 在不同環境相對濕度和溫度下，水凝膠的冷卻能力。DT，水凝膠存在時的表面溫度下降。(E) 在室內和室外（夜間和陽光下）環境下，不同冷卻策略的表面溫度。(F) 從健康參與者獲得的不同冷卻策略的EBC收集性能。(G) EBCare設備在有無EBC刷新情況下的水凝膠壽命。插圖顯示了EBCare上水凝膠在有無EBC刷新情況下的水合狀態。比例尺，1厘米。圖中所有誤差條表示均值的標準偏差。
EBCare的雙重冷卻效果在白天和夜晚的室內和室外環境中進行了評估，并與不具備冷卻功能的普通面料口罩材料以及僅采用單一冷卻方法的材料（獨立暴露的水凝膠和PDMS:PDMS-b-PEG/ 框架）進行了比較（圖2E）。EBCare設備在夜間的室內和室外測試中表現出溫度比單一輻射冷卻材料低約7°C，比非輻射冷卻口罩材料低約10°C。通過比較健康參與者在日常室內和室外環境下的EBC收集結果，表明通過串聯被動冷卻策略實現了高效、連續和長期的EBC冷凝（圖2F和G）。
3.2 生物啟發的微流體技術用于環境呼吸氣體（EBC）采樣、運輸和更新
植物中水分和化學物質的自然輸送主要依賴于毛細現象。在植物中，水分通過葉片的氣孔蒸發，轉化為水蒸氣。此過程導致葉片內部水分含量的減少，從而在植物的微小親水木質部導管內產生負壓。因此，水分通過毛細力從土壤中被吸引向上，以滿足植物的水分需求。受到這一生物過程的啟發，EBCare的微流控模塊采用了具有結構梯度的微柱、親水微流控通道和蒸發冷卻水凝膠，作為重力獨立的EBC采樣、運輸和更新的分級毛細泵（圖3A）。
EBCare設備內表面的親水性界面，類似于木質部導管，對于通過微流體實現收集的EBC的自動循環至關重要。在作者的研究中，將共聚物PDMS-b-PEG的摻雜比例提高至1%在EBCare的主要框架材料（PDMS: PDMS-b-PEG/ ）中顯著增強了親水性，接觸角降低至15.5°，這得益于C-O鍵表面分布的增加（圖3B）。在 EBCare 設備的親水內表面捕獲 EBC 后，EBC 自發且高效地定向傳輸到傳感儲液器，這得益于由具有高度和密度梯度的微柱陣列產生的分級毛細管力（圖3C和D和S4）。穩定的EBC持續流經傳感儲存室，在此通過內置的電化學傳感器進行分析。隨后，受EBCare外表面覆蓋的水凝膠微通道所產生的強毛細力驅動，EBC自動通過內外界面之間的排放柱轉移至設備的外表面，并通過微流體通道有效地逆重力輸送（圖3E）。然后，EBC被水凝膠吸收，并伴隨水凝膠的蒸發，為水凝膠的蒸發冷卻提供了持續的水源。
通過將阻抗傳感器整合到傳感儲液器中，作者在健康參與者中評估了EBCare的EBC采樣能力，考慮了不同的內表面材料和結構（圖3F和G）。結果顯示，由原始聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的設備在直立和仰臥條件下均無法將EBC采樣到傳感儲液器中，原因在于其疏水性表面。采用平面親水性PDMS:PDMS-b-PEG/ 的設備僅在直立條件下能夠接觸到EBC，此時重力作為驅動力。相比之下，由具有梯度微結構的親水性PDMS:PDMS-b-PEG/ 構建的EBCare設備，即使在仰臥姿勢下，也能在5分鐘內有效收集和運輸EBC到傳感儲液器中。
圖3. EBCare設備微流體設計的描述，用于EBC采樣、運輸和刷新。 (A) EBCare設備微流體設計的示意圖，用于EBC采樣、運輸和刷新。(B) 不同質量分數的PDMS-b-PEG共聚物對PDMS:PDMS-b-PEG/ 的接觸角。(C) 具有不同梯度因子（密度和高度）的預濕微柱陣列設計的單向液體運輸能力比較。(D) EBCare內表面微柱結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（左），以及EBCare內表面液體運輸的示意圖和俯視快照（右）。重力垂直于表面并向內。比例尺，1mm（左）和3mm（右）。(E) EBCare外表面水凝膠刷新時毛細水運輸的高度。插圖顯示外表面結構的微通道橫截面示意圖（左上）、SEM圖像（左下）和毛細泵送示意圖（右上）。比例尺，1mm。(F和G) 使用具有不同內表面特性（親水性、有或沒有微結構）的EBCare設備在直立（F）和仰臥（G）狀態下參與者的傳感儲液池中一對電極之間的阻抗，以驗證傳感室內EBC的存在。
3.3 無線電化學生物傳感器陣列用于多重呼氣氣體分析
為了展示EBCare的可穿戴應用，作者將一個電化學傳感器陣列集成到智能口罩中，以實現對EBC的同步和多重原位分析。該機械柔性且一次性的傳感器陣列包括安培法亞硝酸鹽（ ）和酒精傳感器、測量離子選擇性的電位法pH和 傳感器，以及一個電阻溫度傳感器（圖4A）。該電化學傳感器可以通過在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等柔性基材上進行噴墨打印，以低成本大規模生產。完全集成的EBCare準確且同時監測集成的 、酒精、 、pH和溫度傳感器的動態響應；所有生物傳感器在連續微流體傳感過程中表現出高穩定性，并對其他干擾分子具有高選擇性，展示了在原位可穿戴EBC分析中的巨大潛力（圖4B-H）。
圖4. 無線電化學生物傳感器陣列的設計與表征，用于原位多重呼氣液分析。(A) 一種噴墨打印的電化學傳感陣列的示意圖和光學圖像，能夠同時原位多重監測呼氣液中的 、pH、酒精、 及溫度。(B和C) 在含有不同分析物濃度的人工呼氣液（400 mM ）中，酶促酒精傳感器(B)和 傳感器(C)的安培響應。(D和E) 在標準分析物溶液中，離子選擇性 傳感器(D)和基于聚苯胺的pH傳感器(E)的開路電位響應。(F) 和 傳感器的驗證，使用商業檢測試劑盒分析來自參與者的收集呼氣液樣本。(G) 集成電子系統和移動應用程序的圖像及示意圖，用于無線呼氣液分析。ADC，模數轉換器；BLE，藍牙低能量；DAC，數模轉換器；INA，儀表放大器；TIA，跨阻放大器；WE，工作電極。比例尺，3 mm。(H) 在微流控測試中，電化學生物傳感器陣列的系統級多重干擾研究。
3.4 對健康參與者和患者參與者的EBCare評估以實現個性化醫學
為了評估EBCare在日常生活場景中對持續EBC采樣和分析的長期適用性，作者對一名健康個體進行了為期14小時的研究，跟蹤了其運動、飲食、辦公室工作和小憩等活動（圖5A）。多項人類研究表明，從人類參與者收集的EBCare分析物信息在廣泛的個性化健康護理應用中具有較大潛力（圖5B-E）。EBCare口罩所啟用的EBC分析在呼吸系統疾病患者中的臨床應用價值也得到了評估，這些疾病包括慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘以及COVID-19感染后的情況（圖5F-G）。由EBCare口罩收集的不同健康狀況個體的多路傳感器數據揭示了豐富的分子層面的個性化健康信息（圖5H-L）。
圖5. EBCare在健康和患者人群中進行EBC分析的體內評估。(A) 健康參與者全天候交叉活動的EBC分析，使用EBCare監測。(B) 一名COPD患者在臨床研究中佩戴EBCare面罩的照片。(C) 健康參與者佩戴EBCare面罩監測的呼氣酒精濃度與不同劑量酒精消費后的BAC呼氣測試結果對比。(D) 在蛋白質挑戰期間對EBCare的評估：在一天內攝入120克蛋白質前后EBC 和血清尿素濃度的變化。(E) EBC 與血清尿素濃度之間的相關性。(F) 參與者中EBC 濃度的測量，可能存在氣道炎癥的個體。EBC 濃度的統計分析：單因素方差分析及Tukey事后檢驗。(G) EBC 與呼氣性一氧化氮（FeNO）之間的相關性。(H至L) 使用EBCare面罩對健康參與者(H)、當前吸煙者(I)、新近康復的COVID-19患者(J)、COPD患者(K)和哮喘患者(L)進行的具有實時傳感器校準的體內多重EBC分析。
四、全文總結
與傳統耗時的實驗室呼氣生物成分（EBC）測試或分析汗液或唾液的可穿戴生物傳感器不同，EBCare能夠以高選擇性和高時間分辨率持續收集呼氣中的復雜分子信息。EBCare無縫集成于日常口罩中，采用無動力的串聯冷卻策略以實現穩定和持續的呼氣冷凝，預設的毛細力梯度設計確保自動采樣和EBC的刷新，以及一次性多重電化學生物傳感器陣列用于在日常活動中高精度動態監測呼氣生物標志物。 EBCare引入了一種動態、用戶友好且實時的檢測平臺，克服了傳統臨床 EBC 領域中唾液污染、持續監測、可穿戴跟蹤、延長分析時間、鼻呼吸冷凝液收集和經濟高效的監測等復雜挑戰。
▼參考資料
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
*本文內容來自于公眾號《感知科學前沿》。
來源：Internet
