《Science》 每一次呼吸，这款口罩都会守护您的健康 ——“智能口罩”实时监测呼吸，检测疾病、营养摄入和醉酒程度

当前，个性化健康监测的可穿戴设备领域正经历着蓬勃的发展，智能手表、无线健康检测器等多样化的传感器设备纷纷涌现，它们能够追踪佩戴者的心脏活动、炎症指标等关键健康数据，极大地促进了患者在家中的自我健康管理效率。而在此热潮中，一款引领潮流的可穿戴设备——高科技智能呼吸监测口罩，正式加入了这一创新阵营。

2024年8月29日，加州理工学院医学工程系高伟教授团队在国际顶尖学术期刊 《Science》上发表了题为：A smart mask for exhaled breath condensate harvesting and analysis（用于呼出气冷凝液收集和分析的智能口罩）的研究论文。

该研究开发了一种名为EBCare（“EBC”是“呼出气冷凝液”的英文缩写）的新型智能口罩，能实时分析呼出气体中的化学物质，精准监测呼吸系统疾病（例如哮喘、慢性阻塞性肺病，以及COVID-19等）、酒精含量及肾脏健康，与仅监测物理变化的口罩不同，为全面健康管理提供了创新解决方案。

呼出气冷凝液（EBC）作为一种极具潜力的无创水性介质，展现出其在精准测量可溶性气体及非挥发性生物标志物方面的独特优势。近年来，EBC以其操作简单、安全无创、重复性高、依从性好等优点，正在迅速走向临床。然而，与样本收集相关的挑战和缺乏现场分析工具阻碍了EBC分析的广泛应用。

在这项最新研究中，高伟教授团队开发了一种机械软微流体智能口罩系统——EBCare，这种新型智能口罩融合机械软微流体、电化学生物传感与无线技术（图1），能够实现EBC生物标志物实时原位监测，室内外活动均适用，连续精准分析，为健康监测带来革命性突破。

图1：BECare工作原理图

EBC中含有可溶性气体以及以气溶胶或液滴形式存在的非挥发性物质，例如代谢物质、炎症标志物和病原体。如图2所示，EBCare智能口罩通过自动化微流体技术将EBC冷却转化为液态并分析，结果即时无线传输至智能终端。高伟教授团队研发的这款口罩成本低廉，仅约1美元，为便捷、经济的健康监测提供了创新解决方案。

图2：EBCare串联冷却设计的特性

为了测试EBCare的功能，研究团队进行了一系列试验，主要集中在哮喘或慢性阻塞性肺病患者身上。在EBCare的舒适度方面，大多数参与者均报告了良好的体验，即使是那些有呼吸疾病的患者。

图3：EBCare的电化学传感阵列的原理图

研究团队通过EBCare监测了佩戴者呼吸中的亚硝酸盐生物标志物水平，准确指示呼吸道炎症。同时，EBCare也成功检测出受试者血液酒精含量，展示了在酒精监测方面的潜力。这一智能口罩技术不仅可用于医学诊断，还可应用于酒后驾车检查等场景，为健康与公共安全监测提供了创新解决方案。

更进一步地，研究团队深入探索了EBCare在肾脏疾病监测与管理领域的潜在应用。肾脏功能损伤会导致尿素等蛋白质代谢物在血液中积累，使唾液中的尿素也会增加，并被分解成氨气，这导致肾脏疾病患者的EBC中的铵含量更高。因此，EBCare可以通过监测佩戴者的EBC中铵的水平来实时反映血液中的尿素水平。

高伟教授明确指出，当前的研究成果标志着EBCare这一创新概念的初步验证，目前它仍处在原型阶段，展现出巨大的潜力与前景。致力于将此项技术边界拓宽，覆盖至多样化的健康状态相关生物标志物，以此奠定构建一款全方位、通用型健康监测口罩的坚实基础。

图4：EBCare用于EBC分析的整体评估

总而言之，这项在《Science》期刊上发表的突破性研究，不仅成功推出了EBCare这一革命性的智能口罩技术，更通过实践验证了其在监测健康人群、慢性阻塞性肺疾病及哮喘患者，乃至COVID-19康复者代谢状况与呼吸道炎症方面的卓越效能。展望未来，EBCare有望成为引领呼吸与代谢疾病管理领域，以及推动精准医疗向前迈进的崭新典范！

DOI: 10.1126/science.adn6471