EBCare智慧口罩：可即時監測代謝與呼吸狀況的新利器

近來呼吸道疾病的爆發備受矚目，然而大多數呼吸道監測仍侷限於生理訊號。撥出氣冷凝物（EBC）蘊含豐富的分子資訊，能為個人健康提供各種深入見解。如今，加州理工學院的高偉教授及其團隊研發出了EBCare，這是一款基於口罩的裝置，可用於即時監測EBC生物標誌物。例如，EBCare口罩能監測哮喘患者體內亞硝酸鹽的含量，亞硝酸鹽是一種可顯示氣道發炎的化學物質。

「監測患者的呼吸是常規操作，例如用於評估哮喘和其他呼吸道疾病。」高教授表示。

「然而，以往患者需要前往診所採集樣本，接著還得等待實驗室結果。」

「自從新冠疫情以來，人們戴口罩的頻率增加了。我們可以善用這一趨勢，進行遠端個人化監測，在家庭或辦公室就能獲得有關自身健康的即時反饋。」

「舉例來說，我們可以利用這些資訊評估某項醫療治療的效果。」

要選擇性地分析人撥出氣體中的化學物質或分子，首先需要將其冷卻並冷凝成液體。

在臨床環境中，冷卻步驟與分析是分開進行的。撥出的潮濕氣體樣本通常是用冰桶或大型冷藏冷卻器進行冷卻。

該團隊表示，相比之下，EBCare口罩具有自冷卻功能。

它透過被動冷卻系統冷卻撥出的氣體，此係統將水凝膠蒸發冷卻與輻射冷卻相結合，能有效在口罩上冷卻撥出的氣體。

「這款口罩代表了呼吸和代謝疾病管理以及精準醫療的新正規化，因為透過日常佩戴的口罩，我們就能輕鬆取得撥出氣體樣本，並即時分析其中的化學分子。」加州理工學院研究生衡文正表示。

「撥出氣冷凝物包含可溶性氣體以及以氣溶膠或液滴形式存在的非揮發性物質，例如代謝物質、發炎指標和病原體。」

一旦撥出的氣體轉化為液體，一系列屬於仿生微流體裝置的毛細管會立即將液體輸送到感測器進行分析。

「我們從植物身上學到了如何運輸水分。植物利用毛細作用從地下吸取水分。」高教授說。

「分析結果會透過無線方式傳輸到手機、平板電腦或電腦上。」

「這款智慧口罩的製造成本相對較低。據設計，其材料成本僅約1美元。」

為了測試這些口罩，研究人員進行了一系列人體研究，主要聚焦於哮喘或慢性阻塞性肺病患者。

他們特別監測患者撥出氣體中的亞硝酸鹽含量，亞硝酸鹽是這兩種疾病的發炎生物標誌物。

結果顯示，口罩能準確檢測到該生物標誌物，表明患者氣道存在發炎現象。

在另一項實驗中，研究人員證明瞭口罩能準確檢測人體血液中的酒精含量，這意味著口罩可用於現場酒駕檢查或其他形式的酒精攝入監測。

他們還研究了口罩在腎病監測和管理中評估血尿素水平的潛在用途。

隨著腎功能衰退，尿素等蛋白質代謝副產物會在血液中積聚。

同時，唾液中的尿素會增加，並分解成氨氣，導致撥出氣冷凝物中的銨離子水平升高。

研究表明，智慧口罩能準確檢測到這些銨離子水平，緊密反映血液中的尿素水平。

「用於收集和分析EBC的智慧口罩平臺，在即時監測肺部健康的潛力方面取得了重大進展。」哈伯-加州大學洛杉磯分校醫學中心隆德奎斯特生物醫學創新研究所的哈利·羅西特教授表示。

「未來可能會新增用於檢測多種化合物的生物感測器，這一概念凸顯了智慧口罩在健康監測和診斷方面改變遊戲規則的潛力。」

該團隊的研究成果發表在《科學》雜誌的一篇論文中。

文正衡等人，2024年。用於收集和分析撥出氣冷凝物的智慧口罩。《科學》385捲（6712期）：954 - 961頁；doi: 10.1126/science.adn6471

本文是加州理工學院釋出的新聞稿的一個版本。