文｜《中国科学报》见习记者 杜珊妮
实验台上，一个方正的塑料盒静静地躺着，盒内堆满了数不清的塑料薄片。几乎每个薄片上都用记号笔标记着一串清晰的数字：“908、909、910……1018、1019……”
这些薄片是衡文正在实验中使用的电化学传感器，其上标记的数字对应着每一次实验的日期与处理方式。为了确保传感器的性能达到理想状态，同样的实验，衡文正已经重复进行了1000多次。
近日，这位95后科研青年，收获了人生中的第一篇Science论文。衡文正所在的研究团队开发了一种名为EBCare（呼气冷凝物分析与呼吸评估）的机械柔性微流体智能口罩，可以通过捕捉并分析呼吸气体中的化学物质或分子，监测哮喘、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病和尿素、酒精等在人体的代谢过程。该智能器件便携、低成本，为未来的临床和医学研究提供了强大而有效的工具。
衡文正是这篇论文的第一作者，他的身份是美国加州理工学院工程与应用科学部医学工程系博士生。同校医学工程系教授高伟为该论文通讯作者。
呼吸不仅承担着摄入氧气和排出二氧化碳以维持新陈代谢的重要任务，还蕴含着丰富的生理和病理信息。
例如，糖尿病患者呼出的气体中丙酮分子较多，可能有水果味或腐烂水果味。同样，肾病患者由于血液中尿素代谢不畅，可能导致呼出的气体中含有较高浓度的氨气，有类似尿液的味道。
2020年，新冠疫情席卷全球。原本计划赴加州理工学院攻读博士的衡文正，受此影响滞留国内，通过线上授课开启了他的博士研究生涯。
衡文正注意到，尽管呼吸和对抗呼吸道疾病对公共健康至关重要，但人们对日常呼吸健康的监测往往有所忽视。他意识到，这种研究价值与社会关注度的落差，恰恰蕴含着巨大的研究潜力和社会影响。
目前，大多呼吸监测仍局限于物理信号的收集，而对流动性强的气态样本进行采集和分析是极具挑战性的。呼气冷凝物（Exhaled breath condensate，EBC) 是一种创新的采样方式，包含可溶性气态和气溶胶、小液滴等非挥发性生物标志物，可以此实现个性化医疗保健。
但是在临床实践中，EBC依赖于商业冷凝器或专用冷凝仪器，需专业人员按照标准流程操作实现采集，然后送到实验室进行专业检测。因此，很难将EBC引入家庭健康检测，人力、时间和经济成本都是挑战。
在这项最新研究中，衡文正和研究团队开发了一种名为EBCare的智能口罩，实现了可穿戴式EBC检测。它设计轻便，重量仅为4g，还能与日常使用的口罩搭配，使用者只需将设备器件装配到口罩上即可。
低成本是这项研究最重要的研究亮点之一。相较于其他专业设备，EBCare的成本可能仅为其1%甚至千分之一。这对于技术的大范围推广和在社会各层面的应用至关重要。
“只有成本足够低，医学工具才能被更多人使用，从而获得足够的数据来验证其有效性，更有利于推动技术的进一步发展。”衡文正告诉《中国科学报》。
该智能口罩由3个核心功能组成：呼吸冷凝、冷凝液传输，以及电化学检测。当使用者佩戴时，其呼出的气体会在口罩内部自动冷凝。然后，内置的微流体装置会收集冷凝液，并传送到传感器腔室进行分析。最后，数据实时发送到佩戴者常用的电子设备上。
这3个功能的协同作用，使EBCare成为一个集成的智能呼吸监测系统，简化了传统EBC检测中复杂的操作过程，如同在口罩中搭建了一个微型“呼吸检测室”，使检测过程更加便捷和高效。
在EBCare的研究中，每个功能的开发都面临着细微且极具创新性的挑战。其中，最棘手的挑战之一是界面亲水性质的控制，它决定了如何将冷凝后的液体有效地引导到传感器腔室。
“起初，我们使用了疏水性材料，发现液体在界面上形成了球状滴，而不是流动成薄膜状，这使得冷凝液体无法高效地传输到腔室。这个问题一度困扰了我们许久。”衡文正说。
为突破瓶颈，团队尽可能尝试了不同的材料和掺杂比例。经过大量实验，他们发现，掺入一定比例的亲水性材料，将界面改造成亲水性，会促使冷凝液体形成连续的水膜，而不是凝结成球状，最终使得冷凝和传输过程能够顺利进行。
然而，与此同时，传感器的开发也面临新的挑战。“我们发现，传感器的稳定性、响应时间、灵敏度、尺寸大小，以及耐久度等诸多性能，都需要优化与权衡。”衡文正解释说。
衡文正并不是一个完美主义者，但在做科研这件事上，他始终保持着一丝不苟的态度。“传感器优化这一步骤，我们重复进行了1000多次。”他解释道，“因为只有不断地尝试和检验，才能让传感器各方面性能达到比较理想的状态。”
衡文正指出，解决这些问题的关键在于“尝试”。在他看来，尝试是科研必备的要素。尝试不仅仅是随机操作，更是有计划的实验过程。
“尝试之前需要进行实验结果的预测。尽管我们有理论分析，但实践中的结果有时会偏离预期。通过对实验结果的表象进行深入分析，可以识别出影响实验效果的关键因素。”衡文正解释道。
攻克技术难关仅仅是迈过了第一道“坎”。对于衡文正来说，接下来的每一次医学临床试验都是对其耐力和毅力的极大考验。
试验前，团队需要提前一到两周制备数十个传感器和所需的材料、设备。试验当天，他们早晨6点起床，驱车1个小时赶往医学中心，与医生沟通协调，并进行设备调试和数据采集。整个试验过程持续8到9个小时，中途几乎没有时间吃饭。试验结束后，他们又马不停蹄返回实验室，开始数据验证和分析，工作持续到深夜10点多。
其间，当研究团队将设计好的EBCare试用于真实病患时，发现很多关键问题并未在初始设计中得到充分考虑。
通常情况下，当病人站立佩戴EBCare口罩时，冷凝液体会在重力作用下，自然流入检测腔室正常工作。但是当病人躺卧时，由于重力不足以驱动液体流动，设备无法持续检测流动的液体，只能获取一个初始值的数据。
研究团队与临床医生的紧密合作，为应对这项挑战发挥了关键作用。“这项研究的合著者之一是一位临床研究医生，有丰富的临床经验，他提出了许多关键的临床问题和需求，为设备的设计和改进提供了重要的反馈。”衡文正说。
根据这些反馈，团队针对设备在病人卧床时无法持续检测的问题，进行了重新设计。他们通过改进设备的微结构，利用毛细作用梯度来推动液体的更新和流动。这样，即使在病人长期卧床的情况下，也能实现液体的持续更新和冷凝。
2023年年底，研究团队投稿给Science编辑部。次日即被送审，两个月后，他们收到了4位审稿人的回复。
总体上，审稿意见是积极的，没有发现任何致命的缺陷或严重问题。但是，其中一位专注于临床医学领域问题的审稿人指出，希望看到更多的临床数据，包括更大规模、不同种类的病人群体和更长时间的随访，以验证研究成果的可靠性和适用性。
“我们的研究核心主要集中于医学器件，虽然涉及了一定量的临床病人数据，但审稿人期待的数据量和研究范围更偏向于临床医学，一定程度上偏离了这项研究的主旨。”衡文正说。
研究团队非常重视审稿人提出的问题。在接下来的三个月中，他们积极应对审稿意见，补充了更多的临床数据，不仅满足了审稿人对临床试验的要求，还确保了研究的整体方向和主题不发生根本性改变。
“我们尽力增加病人样本量，但同时保持研究的核心方向不变。我们的目标是找到一个合理的平衡点，既能增提升临床数据的质量与数量，又不会偏离研究的核心方向。”衡文正告诉《中国科学报》。
2024年5月，研究团队提交了修改稿。这一次，论文很快被Science编辑部顺利接收。这项“接地气”的研究也因其紧贴大众生活，且极具创新性，在发表之后迅速赢得了广泛关注。
小时候，衡文正就热衷于拆卸和组装。对于那些庞大而复杂的工程机械，以及各式各样的车辆，他总是怀揣着无尽的好奇心和探索欲。
2016年，他考入浙江大学，并选择了与自己兴趣紧密相连的机械电子工程专业。“机械电子工程属于工科大类，更能满足我热爱动手组装的个人兴趣，或是小发明、小创造的想法。”
在本科期间，通过参与实验室研究，衡文正对电子和机械领域有了更加深入的了解，不仅掌握了一些重要的研究工具和应用，也逐渐明确了自己的研究方向——可穿戴设备。
随着学术兴趣的不断发展，衡文正意识到，置身于不同的科研氛围和研究热点中，或许可以为他的学术发展带来更广泛的视角和更多的机会。
在寻找博士生导师的过程中，衡文正被加州理工学院高伟课题组的研究方向所吸引。该课题组高度跨学科，专注于开发用于基础和应用生物医学研究的多功能生物电子设备。
课题组的研究方向与衡文正的科研兴趣和目标高度契合。2020年本科毕业后，他追随高伟攻读博士。
“高老师是一个非常友好且关注学生发展的导师，他在学生的学术成长上表现出极高的责任感和支持力度。无论是审稿、投稿，还是实验设计和方案指导，高老师都不遗余力地提供帮助，非常细致。”衡文正说。
导师的个人风格往往深刻地影响着实验室的工作氛围和研究方向。高伟拥有多学科背景，其领导的实验室是一个典型的跨学科研究环境，会聚了化学、材料、电子等多个学科的研究人员。
在这样的多学科交叉背景下，团队成员不仅能专注于各自的项目，还能通过互相合作应对跨学科的挑战。正是这种跨学科的独特优势，为EBCare的研发提供了强有力的支持。
除此之外，高伟允许学生提出各种不同的想法和设计，他对于不同的学术思想总是持开放态度。这种对创新的支持和对实验的细致指导，影响了衡文正，极大地促进了他的科研进步和个人成长。
再次回顾科研历程，衡文正表示，科研不仅需要解决当前的问题，更要关注其长远价值。“我认为做科研的人，应该想得更大一些。想得更大并不意味着浮夸且不切实际，而是专注于更加关键的问题。”
这种宏观视角使得科研工作不仅仅是应对眼前的技术挑战，更是将研究成果与社会需求和影响紧密结合，从而对社会产生深远的影响。
“科研工作是通过深入思考，在广阔视野下推动科学进步和社会发展的重要途径。”衡文正补充道。
DOI: 10.1126/science.adn6471
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