麻省理工学院研发的一款新型口罩可在90分钟内诊断佩戴者是否感染新冠病毒。
这种新型可穿戴传感器和诊断口罩所基于的技术，已于数年前开始研发。
这些口罩内置微型一次性传感器，可装入其他口罩中使用，也可经改造用于检测其他病毒。
麻省理工学院和哈佛大学的工程师设计出一款新型口罩，可在约90分钟内诊断佩戴者是否感染新冠病毒。这些口罩内置微型一次性传感器，可装入其他口罩中使用，也可经改造用于检测其他病毒。
这些传感器基于冻干细胞机制，研究团队此前已将其开发用于埃博拉病毒和寨卡病毒等病毒的纸基诊断。在一项新研究中，研究人员表明，这些传感器不仅可以集成到口罩中，还可以集成到实验室白大褂等服装中，这可能为监测医护人员接触各类病原体或其他威胁的情况提供一种新方法。
“我们已经证明，我们能够冻干多种合成生物学传感器，用于检测病毒或细菌核酸，以及包括神经毒素在内的有毒化学物质。我们设想，该平台可以为急救人员、医护人员和军事人员开发新一代可穿戴生物传感器。”麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）及生物工程系的Termeer医学工程与科学教授、该研究的资深作者James Collins说道。
这些口罩传感器的设计使佩戴者在准备进行检测时即可将其激活，且检测结果仅显示在口罩内侧，以保护用户隐私。
Peter Nguyen是哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究科学家，Luis Soenksen是麻省理工学院Abdul Latif Jameel健康机器学习诊所的风险构建者，also曾任Wyss研究所博士后研究员，二人为该论文的第一作者，论文今日发表于《Nature Biotechnology》。
可穿戴传感器
这种新型可穿戴传感器和诊断口罩所基于的技术，是Collins在数年前开始研发的。2014年，他证明可以将能够对特定目标分子产生反应的合成基因网络所需的蛋白质和核酸嵌入纸张中，并利用这一方法开发出针对埃博拉病毒和寨卡病毒的纸基诊断工具。2017年，Collins与Feng Zhang实验室合作，开发出另一种无细胞传感器系统，称为SHERLOCK，该系统基于CRISPR酶，可实现对核酸的高灵敏度检测。
这些无细胞电路组件经过冻干处理，可保持稳定数月，直至重新水化。遇水激活后，它们可与其目标分子相互作用，该目标分子可以是任何RNA或DNA序列，也可以是其他类型的分子，并产生信号，例如颜色变化。
近期，Collins及其同事开始研究将这些传感器集成到纺织品中，目标是制造一种供医护人员或其他可能接触病原体的人员穿着的实验室白大褂。
首先，Soenksen对数百种不同类型的织物进行了筛选，涵盖棉、涤纶、羊毛和丝绸等，以确定哪些织物可能适用于此类传感器。“我们最终确定了几种在时装行业中广泛用于制作服装的面料，”他说，“其中效果最好的是涤纶与其他合成纤维的混纺面料。”
为制作可穿戴传感器，研究人员将冻干组件嵌入这种合成织物的一小块区域中，并在其四周环绕一圈硅弹性体。这种分隔结构可防止样本从传感器中蒸发或扩散出去。为展示该技术，研究人员制作了一件嵌有约30个此类传感器的夹克。
他们证明，少量含有病毒颗粒的液体溅到传感器上（模拟接触感染患者的情况），即可使冻干细胞组件水化并激活传感器。这些传感器可设计为产生不同类型的信号，包括肉眼可见的颜色变化，或可通过手持式光谱仪读取的荧光或发光信号。研究人员还设计了一款可穿戴光谱仪，可集成到织物中，读取结果后以无线方式将数据传输至移动设备。
“这形成了一个信息反馈循环，可以监测您的环境暴露情况，并提醒您和其他人暴露的发生及发生地点，”Nguyen说。
诊断口罩
2020年初，研究人员在完成可穿戴传感器的研究工作之际，新冠病毒开始在全球蔓延，因此他们迅速决定尝试利用该技术开发针对SARS-CoV-2病毒的诊断工具。
为制作诊断口罩，研究人员将冻干的SHERLOCK传感器嵌入纸质口罩中。与可穿戴传感器一样，冻干组件外围环绕硅弹性体。在此设计中，传感器置于口罩内侧，因此能够检测佩戴者呼出气息中的病毒颗粒。
该口罩还配备一个小型水库，佩戴者准备进行检测时按下按钮即可释放水分。水分使SARS-CoV-2传感器的冻干组件水化，该传感器可分析口罩内侧积聚的呼气飞沫，并在90分钟内得出结果。
“该检测的灵敏度与金标准（高灵敏度PCR检测）相当，但速度与用于快速分析新冠病毒的抗原检测一样快，”Nguyen说。
本研究开发的原型在口罩内侧设有传感器以检测用户状态，同时在服装外侧设有传感器以检测环境暴露情况。研究人员还可以更换为针对其他病原体的传感器，包括流感病毒、埃博拉病毒和寨卡病毒，或其所开发的用于检测有机磷神经毒剂的传感器。
“通过这些演示，我们基本上已将最先进的分子检测设施的功能缩小为适用于多种可穿戴场景的形式，”Soenksen说。
研究人员已就该技术申请专利，目前希望与一家企业合作，以进一步开发这些传感器。Collins表示，口罩很可能是最先可投入应用的产品。
“我认为口罩可能是最先进、最接近产品化的成果。我们已经收到许多外部团队的浓厚兴趣，他们希望将我们现有的原型成果推进为获批上市的产品，”他说。
该研究获得以下机构资助：美国国防威胁降低局；Paul G. Allen Frontiers Group；Wyss研究所；Johnson and Johnson Innovation JLABS；麻省总医院、麻省理工学院和哈佛大学Ragon研究所；以及Patrick J. McGovern基金会。
