麻省理工学院和哈佛工程师创造了一种可以检测 COVID-19 感染的新型口罩

传感器技术还可用于制作检测各种病原体和其他威胁的服装。

麻省理工学院和哈佛大学的工程师设计了一种新型口罩，可以在大约 90 分钟内诊断出佩戴者是否患有 Covid-19。 口罩内嵌有一次性的小型传感器，可以连接到其他口罩上，也可以用于检测其他病毒。

这些传感器基于研究团队之前开发的冻干细胞机器，用于对埃博拉和寨卡病毒等病毒进行纸质诊断。 在一项新研究中，研究人员表明，传感器不仅可以集成到面罩中，还可以集成到实验室外套等衣服中，这可能提供一种新方法来监测医护人员接触各种病原体或其他威胁的情况。

“我们已经证明我们可以冷冻和干燥各种合成生物传感器，以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提供下一代可穿戴生物传感器和“工作人员。医疗保健和军队，”麻省理工学院 (IMES) 和生物工程系医学工程和科学教授、该研究的资深作者詹姆斯柯林斯说。

面罩传感器的设计使得佩戴者可以在准备接受测试时激活它们，并且结果仅显示在面罩内，以保护用户隐私。

该论文的主要作者是哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所的研究科学家 Peter Nguyen 和麻省理工学院 Abdul Latif Jameel 健康机器学习诊所的项目创建者、Wyss 研究所的前博士后研究员 Louis Swinksen。 ，今天出现在 自然生物技术.

可穿戴传感器

新的可穿戴传感器和诊断面罩基于柯林斯几年前开始开发的技术。 2014 年，他证明了创建与特定目标分子相互作用的合成遗传网络所需的蛋白质和核酸可以合并到纸中，并使用这种方法创建了针对埃博拉和 寨卡病毒 病毒。 2017 年，柯林斯与张峰的实验室合作，开发了另一种无细胞传感器系统，称为 夏洛克，它基于 CRISPR 酶，可以检测高度敏感的核酸。

无细胞回路的组件被冷冻干燥并保持稳定数月，直到再水化。 当被水激活时，它可以与目标分子相互作用，目标分子可以是任何 RNA 或 DNA 序列，以及其他类型的分子，并产生颜色变化等信号。

研究人员在口罩内放置了传感器，以检测戴口罩的同一个人身上的病毒颗粒。 面罩还包括一个小水库，当佩戴者准备好接受测试时，只需按一下按钮即可释放水库。 图片来源：研究人员提供

最近，柯林斯和他的同事开始将这些传感器整合到纺织品中，目标是为医护人员或其他可能接触病原体的人制作实验室外套。

首先，Soenksen 用数百种不同类型的织物制作了一个屏幕，从棉和涤纶到羊毛和丝绸，以发现哪些可能与这种类型的传感器兼容。 “我们最终确定了在服装行业广泛使用的一对，”他说。 “最好的是聚酯和其他合成纤维的混合物。”

为了制造可穿戴传感器，研究人员将冷冻干燥的组件融合到这种合成织物的一小部分中，并包裹在一个硅胶弹性体环中。 这种分区可防止样品蒸发或从传感器扩散开。 为了演示这项技术，研究人员制作了一件装备有大约 30 个这样的传感器的夹克。

他们表明，一小滴含有病毒颗粒的液体，模仿暴露于受感染患者的情况，可以润湿冻干细胞的成分并激活传感器。 传感器可以设计成产生不同类型的信号，包括可以用肉眼看到的颜色变化，或者可以用手持分光光度计读取的荧光或发光信号。 研究人员还设计了一种可穿戴分光光度计，可以集成到织物中，在那里它可以读取结果并将其无线传输到移动设备。

Nguyen 说：“这为您提供了一个信息反馈循环，可以监控您的环境暴露并提醒您和其他人有关暴露及其发生地点的信息。”

诊断面罩

当研究人员在 2020 年初完成对可穿戴传感器的工作时，Covid-19 开始在世界范围内传播，因此他们很快决定尝试使用他们的技术来创建对 SARS-CoV-2 的诊断。

为了生产诊断面罩，研究人员将冷冻干燥的 SHERLOCK 传感器放置在纸面罩中。 与可穿戴传感器一样，冷冻干燥的组件封装在硅橡胶中。 在这种情况下，传感器被放置在口罩内部，因此它们可以检测到戴着口罩的同一个人身上的病毒颗粒。

面罩还包括一个小水库，当佩戴者准备好接受测试时，只需按一下按钮即可释放水库。 这使 SARS-CoV-2 传感器的冻干成分水合，该传感器分析积聚在面罩内的呼吸飞沫，并在 90 分钟内产生结果。

“该测试与黄金标准一样敏感，PCR 测试高度敏感，但与用于快速分析 Covid-19 的抗原测试一样快，”Nguyen 说。

本研究中开发的原型包含面罩内的传感器，用于检测用户的状况，以及放置在服装外部的传感器，用于检测环境暴露。 研究人员还可以为其他病原体切换传感器，包括流感、埃博拉和寨卡病毒，或者他们开发的用于检测有机磷神经毒剂的传感器。

“通过这些演示，我们基本上将最先进的分子测试设施的功能减少到与各种应用的可穿戴场景兼容的格式，”Soenksen 说。

研究人员已经申请了这项技术的专利，现在希望与一家公司合作进一步开发传感器。 柯林斯说，面罩可能是第一个可以使用的应用程序。

“我认为面罩可能是最先进和最接近产品的。我们已经引起了外部团体的极大兴趣，他们希望我们的原型工作并将其推向批准和上市的产品。

该研究由国防威胁减少局资助； Paul G. Allen Frontiers Group； 威斯研究所； 强生创新 JLABS； MGH、麻省理工学院和哈佛大学的拉根研究所； 帕特里克 J. 基金会。 麦戈文。