Em 2024, Wei Gao , professor de engenharia médica do Caltech , e membros de seu laboratório desenvolveram um protótipo de máscara inteligente que utiliza informações da respiração exalada para monitorar uma série de condições médicas, incluindo doenças respiratórias como asma e infecções pós-COVID-19. Agora, ele e uma equipe de pesquisadores atualizaram a máscara para torná-la mais sustentável, capaz de coletar informações por períodos mais longos e avaliar outras condições e alterações de saúde.

"Conseguimos estender a usabilidade a longo prazo por meio de avanços na ciência dos materiais e no projeto de engenharia em nível de sistema", afirma Wenzheng Heng (PhD '25), pesquisador de pós-doutorado em engenharia médica e autor principal de um artigo publicado em 16 de março na Nature Sensors , que descreve o trabalho recente da equipe. "Com base na máscara original, essas melhorias possibilitam praticidade de armazenamento e manuseio, aumentam a estabilidade da detecção e alcançam autonomia energética."

A primeira coisa que uma máscara inteligente faz para coletar dados é resfriar o ar expirado usando um hidrogel — uma substância à base de água que consegue reter água mantendo sua estrutura — e capturar o líquido resultante, chamado condensado do ar expirado (CAE). Uma vez coletado o CAE, sensores analisam as amostras em busca de biomarcadores de saúde, como metabólitos, patógenos e indicadores inflamatórios, e transmitem os dados sem fio para um celular, tablet ou computador. Mas, em versões anteriores da máscara, o hidrogel secava após algumas horas, dificultando o monitoramento contínuo ao longo do tempo.

"A máscara inteligente é uma forma de baixo custo de fornecer monitoramento contínuo de saúde", diz Gao, observando que o custo dos materiais para a nova plataforma, chamada EBClite, é de aproximadamente US$ 1 por máscara. "Queremos que as pessoas possam usar esse sistema por períodos mais longos, como por dias ou uma semana."

Com pesquisadores do Caltech, da Universidade Johannes Kepler na Áustria e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, Heng e Gao (que também é pesquisador do Heritage Medical Research Institute) desenvolveram um novo hidrogel com infusão de cloreto de lítio que não resseca e também é facilmente reidratado, mantendo sua funcionalidade por vários dias.

Em seguida, a equipe buscou maneiras de fazer com que os sensores — que podem analisar o EBC (composto gasoso expirado) em busca de substâncias químicas na respiração em tempo real — funcionassem por mais tempo e com maior estabilidade no ambiente de alta umidade das máscaras.

"O processo de detecção ocorre em um ambiente muito úmido, então, em termos de sensores, é crucial escolher os materiais certos", explica Gao. A equipe encapsulou os sensores em um material flexível multicamadas para melhorar sua capacidade de suportar os inúmeros ciclos de condições repetidas de umidade e seca que ocorrem durante o uso prolongado da máscara.

Por fim, os pesquisadores queriam eliminar o uso da bateria presente no modelo anterior. A máscara agora é alimentada exclusivamente por uma célula solar ultrafina e integrada, permitindo operação de longa duração sem a necessidade de recarregar ou substituir a bateria.

"Podemos realizar o funcionamento contínuo sem bateria durante todos os tipos de atividades internas", diz Gao. "A célula solar tem alta eficiência na captação de energia, mesmo em condições de pouca luz; não é preciso ficar sob a forte luz solar da Califórnia para que ela funcione. A máscara inteira agora é muito durável e resistente."

Após a construção da nova máscara inteligente, a equipe buscou ampliar seu uso para além da avaliação de doenças, monitorando o lactato em voluntários saudáveis. O lactato pode fornecer informações importantes sobre diversas condições de saúde e também é um marcador de desempenho atlético, pois é um combustível essencial para as células durante o exercício, podendo ser utilizado para avaliar a oxigenação dos tecidos e o estresse metabólico.

A equipe também monitorou os níveis de lactato após os participantes do estudo consumirem carboidratos; o monitoramento de ambos permite avaliar o metabolismo energético.

"O que mais me entusiasma é que esta plataforma permite a monitorização não invasiva e repetível do lactato no condensado do ar expirado (EBC), o que proporciona uma visão sobre a dinâmica do lactato no sangue, permitindo o acompanhamento longitudinal da variabilidade e da eliminação do lactato em resposta a alterações metabólicas induzidas por exercício e dieta, com potencial utilidade em contextos clínicos", afirma Heng, cujo trabalho de tese de doutoramento foi desenvolvido sobre a máscara inteligente no laboratório de Gao.

Em comparação com outros biofluidos, como suor e saliva, a coleta de EBC (concentrado de leite no sangue) é inteiramente passiva, tornando-a excepcionalmente adequada para o monitoramento de saúde de fácil utilização em diversas populações, incluindo crianças, idosos e pacientes em estado crítico. Gao e sua equipe já iniciaram os esforços de implementação em locais com poucos recursos, trabalhando com a Fundação Gates para explorar a distribuição das máscaras em partes da África.

"Estamos agora desenvolvendo uma versão simplificada da máscara para levar à África, que poderá monitorar a tuberculose, o que é uma aplicação muito interessante e significativa", diz Gao. A tuberculose (TB), uma infecção pulmonar contagiosa causada por bactérias, é uma crise crítica de saúde pública no continente, sendo responsável por um terço de todas as mortes por TB.

Com o objetivo final de disponibilizar a máscara inteligente ao público, Gao afirma que continuarão a investigar outros biomarcadores clinicamente relevantes que os sensores poderão monitorar e analisar.

"Esperamos sinceramente tornar esta plataforma mais geral, para que possa ser aplicada a muitas condições de saúde diferentes no nosso dia a dia", afirma.

O estudo publicado na Nature Sensors , intitulado "Uma máscara inteligente sem bateria para monitoramento bioquímico de longo prazo do ar expirado", foi financiado pelo Heritage Medical Research Institute e pelo programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 da União Europeia. Outros autores do Caltech incluem os estudantes de pós-graduação Canran Wang (MSc '23) e Yonglin Chen, e os pós-doutorandos Moon-Ju Kim e Gwangmook Kim, além de Wenying Tang, ex-estudante de pós-graduação visitante, e Jihong Min (PhD '24), ex-pós-doutorando do Caltech.