加州理工學院高偉教授Nature Sensors：智能口罩，無需電池，實現(xiàn)多日連續(xù)呼吸生化代謝監(jiān)測！

呼出氣冷凝液（EBC）是一種極具潛力但尚未充分開發(fā)的非侵入性生物液體，正常呼吸過程中被動產(chǎn)生，包含來自肺泡襯液和氣道黏膜的水蒸氣和氣溶膠液滴。這些液滴富含揮發(fā)性與非揮發(fā)性分析物，能反映呼吸道局部微環(huán)境與全身生理狀態(tài)，是深入下呼吸道動態(tài)生化過程的非侵入性窗口。與汗液、唾液、組織液等其他生物液體相比，EBC的采集完全被動、無痛、無需刺激，尤其適合兒童、老人及重癥患者等多類人群的長期健康監(jiān)測。

現(xiàn)有可穿戴智能口罩日常長期使用面臨關鍵挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)蒸發(fā)制冷水凝膠難以儲存、電化學傳感器在日常重復使用、干燥-潤濕多重循環(huán)下的穩(wěn)定性、復現(xiàn)性與長期性、以及傳統(tǒng)鋰電池帶來續(xù)航問題。這些挑戰(zhàn)需要使用者更換功能部件來滿足長期日常使用的需求；共同制約著可穿戴設備從實驗室走向日常健康管理的步伐。在此，加州理工學院高偉教授聯(lián)合奧地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學Martin Kaltenbrunner教授、香港科技大學范智勇教授團隊，共同開發(fā)了一款完全自供電的智能口罩系統(tǒng)——EBClite，實現(xiàn)了多日連續(xù)EBC生物標志物監(jiān)測。該成果以"A battery-free smart mask for long-term exhaled breath biochemical sensing"為題發(fā)表在《Nature Sensors》上，第一作者為衡文正（Wenzheng Heng）、Christoph Putz和Wenying Tang。

EBClite 系統(tǒng)整體設計

EBClite以乳酸作為模型生物標志物，將三大核心模塊有機集成于一枚商用N95口罩之中（圖1b）：可再生抗干燥多孔水凝膠（用于持續(xù)凝結呼出氣）、長期穩(wěn)定的柔性電化學乳酸傳感器陣列，以及超薄準二維鈣鈦礦太陽能電池模塊（FPSC）。三者協(xié)同工作，無需任何外部電池或一次性耗材，實現(xiàn)了超過4天的連續(xù)可穿戴運行（圖1c、d）。系統(tǒng)的電源管理與數(shù)據(jù)采集由一塊低功耗柔性印刷電路板（FPCB）統(tǒng)一處理，在日常光能供能下，實現(xiàn)傳感器驅動、信號處理和藍牙低功耗（BLE）通信，實現(xiàn)乳酸趨勢的直覺化可視化與長期追蹤。EBClite的整體設計兼顧用戶舒適性與隱蔽性，可無縫貼合于口罩內(nèi)側，不干擾正常呼吸與日常活動。

圖 1：EBClite 系統(tǒng)概覽——用于長期持續(xù)無線呼出氣代謝物監(jiān)測

多日EBC凝結：可再生多孔抗干燥水凝膠

水凝膠蒸發(fā)冷卻是EBC采集的核心機制。EBClite開發(fā)了一種基于聚丙烯酰胺（PAm）/氯化鋰（LiCl）的多孔復合水凝膠，通過"再水化觸發(fā)冷卻再生"機制，支持多日連續(xù)凝結與"待機—激活"循環(huán)切換（圖2a）。PAm提供機械魯棒且可反復再水化的骨架，LiCl作為吸濕劑通過與聚合物網(wǎng)絡的離子-偶極相互作用維持結合水層，抑制網(wǎng)絡塌縮與開裂，保持多日使用中的柔軟性與結構完整性。為兼顧保濕與蒸發(fā)冷卻效率，研究者采用顆粒鹽模板法構建高度多孔網(wǎng)絡，將高濃度LiCl限制于局部微區(qū)，從而提升整體水鹽比、促進持續(xù)蒸發(fā)（圖2d）。多孔結構還有效緩解蒸發(fā)誘導應力，避免局部翹曲與界面脫離，保障與弧形口罩表面的共形接觸（圖2e、f）。測試表明，在連續(xù)6天的模擬呼吸凝結循環(huán)中，該水凝膠每周期穩(wěn)定實現(xiàn)約7°C降溫（圖2g），并在真人佩戴實驗中保持4~5 μl/min的穩(wěn)定凝結速率，遠優(yōu)于普通非多孔抗干燥水凝膠（約2.5 μl/min）（圖2h）。

圖 2：多孔抗干燥水凝膠——支持長期蒸發(fā)冷卻與EBC凝結

柔性多模態(tài)傳感器陣列：多日穩(wěn)定EBC乳酸監(jiān)測

針對可穿戴電化學傳感器在反復干濕循環(huán)下極易失效的核心挑戰(zhàn)，EBClite開發(fā)了一套柔性多模態(tài)傳感器陣列（圖3a、b），通過噴墨打印工藝在柔性基底上批量制備，具備優(yōu)異的器件間一致性。乳酸傳感電極嵌入殼聚糖/牛血清白蛋白復合物理法包埋生物相容性水凝膠基質(zhì)中，通過維持水化微環(huán)境來保護酶活性、抑制信號漂移（圖3c）。在生理相關濃度范圍（0–100 μM）內(nèi)，傳感器與商業(yè)熒光檢測試劑盒的結果高度吻合（Pearson相關系數(shù)r = 0.935）（圖3g）。長期穩(wěn)定性測試表明，乳酸與pH傳感器在模擬EBC條件下連續(xù)工作約40小時后仍保持穩(wěn)定（圖3h）。通過系統(tǒng)比較多種酶固定化與封裝策略，殼聚糖/BSA非交聯(lián)復合基質(zhì)在6天反復干濕循環(huán)中展現(xiàn)出最優(yōu)性能（圖3i）。固態(tài)Ag/AgCl參比電極采用多層PDMS封裝，確保氯離子在微環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)緩釋，維持濃度穩(wěn)定，使得固態(tài)參比電極在6天EBC浸泡中保持電位穩(wěn)定（圖3j、k）。

圖 3：柔性多傳感器陣列——用于長期EBC代謝實時分析

超薄鈣鈦礦太陽能電池：全天候室內(nèi)外自供電

為實現(xiàn)完全無電池的連續(xù)運行，EBClite集成了一塊由四個串聯(lián)1 cm2電池構成（總有效面積約4 cm2）的超薄柔性鈣鈦礦太陽能電池（FPSC）模塊（圖4a、b），專為室內(nèi)低光照與口罩附近高濕度條件優(yōu)化設計。模塊基于6 μm超薄PET基底，配合100 nm氧化鋁（AlOx）阻擋層，吸收層引入大有機陽離子α-甲基芐基銨（MBA）構建準二維結構，形成微米級大晶粒，有效鈍化缺陷、提升穩(wěn)定性。彎折成45°角的幾何構型顯著拓寬了有效受光角范圍（115°~225°），更適配天花板燈等室內(nèi)光源（圖4f）。在AM1.5G標準光照下，模塊光電轉換效率（PCE）達15.5%；在室內(nèi)LED光照（6300 lx）下PCE高達30.8%，并在600 lx弱光下仍維持18.5%（圖4c）。模塊重量僅約11 mg，比功率達10 W/g，遠輕于傳統(tǒng)紐扣電池，制造材料成本約0.2美元（圖4e）。在85%相對濕度下連續(xù)照射100小時后，PDMS包封模塊保留70%以上初始輸出，滿足在智能口罩上高濕度微環(huán)境下的長期穩(wěn)定性，并通過ISOS-O-3戶外穩(wěn)定性測試（圖4g、h）。機械彎折測試表明，200次彎折循環(huán)后模塊仍保留82%初始性能（圖4i）。電化學測量系統(tǒng)整體平均功耗約100 μW，在500~2500 lx的寬光照范圍內(nèi)整個電子系統(tǒng)均可穩(wěn)定自供電（圖4k、l）。

圖 4：FPSC供電系統(tǒng)的設計與表征

人體即位測量驗證：飲食與運動中的代謝動態(tài)追蹤

EBClite在真實人體實驗中的表現(xiàn)全面驗證了其代謝監(jiān)測能力。在碳水化合物攝入實驗中，空腹受試者在攝入含1 g/kg或2 g/kg體重碳水化合物的標準餐食后約2小時，EBC乳酸濃度出現(xiàn)劑量依賴性升高峰值，與指尖血乳酸動力學高度吻合，代謝穩(wěn)態(tài)恢復后逐漸回落至基線（圖5a-c）。在分級騎行運動實驗中，EBC乳酸隨運動強度遞進式上升：低強度時以有氧代謝為主，乳酸水平相對平穩(wěn)；中高強度時乳酸開始上升，反映有氧-無氧混合代謝；高強度下乳酸急劇飆升，標志以無氧代謝為主的代謝躍遷（圖5d-f）。在涵蓋不同年齡和性別的10人隊列中，EBC乳酸曲線具備良好的個體間重現(xiàn)性，與血乳酸變化趨勢吻合良好。在連續(xù)4天自由生活佩戴測試中，EBClite穩(wěn)定追蹤了用餐、運動與休息期間的乳酸動態(tài)波動，實時pH與溫度數(shù)據(jù)同步為乳酸信號提供校正（圖5g）。這些結果證實了EBClite在真實世界場景中的電化學穩(wěn)定性、高時間分辨率與能量自主性——而全程僅需一只智能口罩，無需更換任何元件或耗材。

圖 5：EBClite 在身驗證——用于連續(xù)代謝追蹤

小結

EBClite突破了現(xiàn)有可穿戴智能口罩系統(tǒng)的三重核心技術瓶頸，通過將可再生多孔水凝膠、長期穩(wěn)定電化學傳感器與超薄鈣鈦礦太陽能電池有機集成，首次實現(xiàn)了無需電池、無需耗材替換的多日連續(xù)呼吸代謝監(jiān)測。系統(tǒng)并通過4天連續(xù)佩戴測試驗證了日常健康監(jiān)測的可行性。這一框架從根本上消除了侵入性采樣與供電限制，為可持續(xù)個性化呼吸生物監(jiān)測建立了新范式。未來，EBC中可檢測的靶標將遠不止乳酸——包括小分子代謝物乃至蛋白質(zhì)和病原體相關標志物，均可通過成熟的酶促或親和轉換策略加以量化，有望推動智能口罩在代謝疾病、運動醫(yī)學與精準健康領域的廣泛臨床應用。

此外，Gao lab團隊正在與蓋茨基金會合作，積極推動智能口罩相關技術在非洲等資源受限地區(qū)的實際應用，探索其在呼吸道傳染病群體性篩查的應用潛力。相較于采樣方式，智能口罩系列無需侵入式采樣，采樣簡單，獲取樣品生物基質(zhì)干凈簡單，成本低廉，尤其適用于基層醫(yī)療條件有限、專業(yè)檢測資源不足的人群場景。該平臺有望為呼吸道及其他肺部傳染疾病提供一種低成本、可擴展、可長期使用的初篩與動態(tài)監(jiān)測工具。更重要的是，這一技術路線不僅服務于個人疾病診斷本身，也有望支持大規(guī)模公共衛(wèi)生監(jiān)測、風險預警與流行病學追蹤，為全球健康尤其是低資源地區(qū)的呼吸健康管理提供新的解決方案。

作者簡介

高偉，現(xiàn)任美國加州理工學院醫(yī)學工程系終身教授，擔任 Science Advances, Biosensors & Bioelectronics, Sensors & Diagnostics與npj Flexible Electronics等多個國際期刊副主編。曾獲評美國自然科學基金委杰出青年獎、國際醫(yī)學與生物工程科學院杰出青年獎、海軍研究總署青年科學家獎、斯隆研究獎、IEEE醫(yī)學與生物學工程學會技術成就獎、IEEE醫(yī)學與生物學工程學會青年成就獎、IEEE傳感器理事會技術成就獎、世界經(jīng)濟論壇青年科學家、美國化學會青年研究員獎等諸多獎項，入選IEEE會士、美國醫(yī)學與生物工程院會士（AIMBE）、英國皇家化學協(xié)會會士（RSC）和麻省理工技術評論“35歲以下科技創(chuàng)新35人”全球榜單。近五年來課題組工作在Science, Nat. Biotechnol., Nat. Biomed. Eng., Nat. Electron., Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Rev. Bioeng., Nat. Chem. Eng., Nat. Mach. Intell., Nat. Rev. Mater., Nat Commun., Sci. Transl. Med., Sci. Robot., Sci. Adv. 等期刊發(fā)表論文60余篇。總引用超過48,000次，H-index 102。

第一作者衡文正博士，本科畢業(yè)于浙江大學機械工程學院，博士畢業(yè)于加州理工學院醫(yī)學工程系，隨后繼續(xù)在加州理工學院高偉教授課題組開展博士后研究。入選國家級青年人才項目、國家優(yōu)秀自費留學生特別優(yōu)秀獎、MRS材料研究學會研究生金獎，加州理工學院the Demetriades - Tsafka - Kokkalis生物醫(yī)學獎。研究工作聚焦于智能傳感微納系統(tǒng)、生物電子、在位生化分析、智能醫(yī)療器械、人機交互微系統(tǒng)等方向。目前以第一作者身份在 Science、Nature Sensors、Nature Chemical Engineering、Advanced Materials等期刊發(fā)表文章。近期衡文正博士將以助理教授身份加入北京大學集成電路學院。