微生物包括單細(xì)胞和多細(xì)胞實(shí)體，作為自然界中無(wú)處不在的生命形式，表現(xiàn)出顯著的多樣性。它們通過(guò)提供維持不同生態(tài)系統(tǒng)（包括高等宿主生物）生物過(guò)程的基本成分發(fā)揮著關(guān)鍵作用。人體腸道微生物群內(nèi)的復(fù)雜相互作用對(duì)代謝功能、免疫反應(yīng)和生化信號(hào)傳導(dǎo)至關(guān)重要，特別是通過(guò)腸道-大腦軸。病毒在生物過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用，例如在活細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時(shí)通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移增加遺傳多樣性。另一方面，微生物制劑對(duì)人體的感染可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生理紊亂和疾病。傳染病對(duì)全球醫(yī)療保健系統(tǒng)構(gòu)成了重大負(fù)擔(dān)，其特征是流行病學(xué)格局的巨大變化?？股啬退幮缘目焖賯鞑セ騻魅静〉氖Э乇l(fā)是目前的主要挑戰(zhàn)。此外，在資源匱乏的環(huán)境中，向受影響最嚴(yán)重的人群提供經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的護(hù)理點(diǎn)診斷工具尤為重要且具有挑戰(zhàn)性。需要實(shí)施新的范式和技術(shù)方法，以實(shí)現(xiàn)快速和知情的疾病管理。在這方面，利用微流體系統(tǒng)結(jié)合基于集成生物傳感器的病原體檢測(cè)的傳染病診斷提供了一系列創(chuàng)新和有前景的解決方案。在這篇綜述中，我們旨在概述微流體診斷工具開(kāi)發(fā)的最新活動(dòng)和進(jìn)展。本文獻(xiàn)研究主要涵蓋了過(guò)去5年科研人員遵循基于主要在臨床層面涉及的人體系統(tǒng)或特定病原體傳播模式的分類(lèi)方案。結(jié)核病和瘧疾等重要疾病將得到更廣泛的治療。

微流體和微流體裝置

微觀尺度下的流體性質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)由Navier-Stokes方程控制，該方程原則上解釋了宏觀尺度上任何一種復(fù)雜的流體現(xiàn)象，包括湍流模式。通過(guò)將尺寸減小到微觀尺度，力的平衡發(fā)生了變化。慣性力通常與粘性力或與界面相關(guān)的力無(wú)關(guān)。這會(huì)產(chǎn)生與我們的直覺(jué)相反的特定流體特性，但可能對(duì)微尺度上的生命和微流體裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。例如，由于斯托克斯流的可逆性，細(xì)菌需要鞭毛而不是鰭來(lái)推進(jìn)。微流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮到，由于層流特性，在微尺度上高效快速混合是具有挑戰(zhàn)性的。另一方面，毛細(xì)管力使自推進(jìn)的連續(xù)流流體回路成為可能。在兩相液體系統(tǒng)中，非平衡效應(yīng)可用于在微通道中產(chǎn)生單分散液滴。流體特性可以方便地用無(wú)量綱數(shù)來(lái)描述。特別是，微流體域的特征是雷諾數(shù)Re較小，對(duì)應(yīng)于流體中慣性力與粘性力的比值。如果在中間Re數(shù)下操作，微流體應(yīng)用也可能利用慣性效應(yīng)。描述微流體中流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和分子輸運(yùn)的相關(guān)數(shù)字的其他例子是Péclet數(shù)或毛細(xì)管數(shù)。這些數(shù)字在微流體裝置的設(shè)計(jì)和分析集成中起著重要作用。

微流體設(shè)備類(lèi)別微流體系統(tǒng)能夠精確控制小液體樣品體積的時(shí)空，并精確操縱生物分子、細(xì)胞或顆粒。彈性體聚合物（聚）二甲基硅氧烷（PDMS）帶來(lái)了微流體裝置或芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）設(shè)計(jì)的重大突破。具有片上單片PDMS閥和蠕動(dòng)泵的微流體系統(tǒng)可以通過(guò)多層軟光刻技術(shù)輕松制造，最終實(shí)現(xiàn)了生物分子檢測(cè)的微流體大規(guī)模集成。由于PDMS是一種透氧透明材料，因此在片上實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的基于細(xì)胞的檢測(cè)，例如具有單細(xì)胞分辨率的快速AST、微生物群落或更大模型生物（如秀麗隱桿線蟲(chóng)）的研究。此外，生物分子可以通過(guò)功能化磁珠在片上捕獲和運(yùn)輸。液滴微流體是一種強(qiáng)大而通用的格式，實(shí)現(xiàn)了具有數(shù)字讀出的高通量生物測(cè)定。nL大小的液滴中的隔室和同時(shí)編碼提供了高多路復(fù)用能力。其他特性，如液滴中的快速混沌混合，也可以被利用。許多應(yīng)用已經(jīng)適應(yīng)了數(shù)字微流體，特別是用于單細(xì)胞分析，包括具有單細(xì)胞分辨率的快速高通量AST，或用于分子生物學(xué)。離心微流體或圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)室（LoaD）設(shè)備，即在具有定制設(shè)計(jì)的流體回路的聚合物圓盤(pán)盒上實(shí)施生物測(cè)定，是可能用于POC應(yīng)用的平臺(tái)。等分、閥門(mén)和混合等操作，例如用于核酸的純化和擴(kuò)增，可以直接在圓盤(pán)上進(jìn)行，用戶(hù)干預(yù)最少，這也要?dú)w功于圓盤(pán)上的試劑存儲(chǔ)。作為例如，一個(gè)片上實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)被設(shè)計(jì)用于急性發(fā)熱性疾病的自動(dòng)POC鑒別診斷。紙張是微流體應(yīng)用的一種有吸引力的基材，因?yàn)樗鼙阋?，一次性使用，由于自?qū)動(dòng)毛細(xì)管流，不需要外部流體控制。側(cè)流檢測(cè)（LFA）或快速診斷測(cè)試（RDT）是用于定性診斷的常用簡(jiǎn)單紙質(zhì)設(shè)備，主要用于免疫層析檢測(cè)。實(shí)施更靈敏和定量的檢測(cè)旨在克服LFA的當(dāng)前局限性，并擴(kuò)展可能的應(yīng)用范圍。微流體紙分析設(shè)備（μPAD）在紙基材上具有圖案化的疏水邊界，以創(chuàng)建微流體流體結(jié)構(gòu)和可能的其他流體控制工具。μPAD能夠分析復(fù)雜的（如血液）和少量的生化樣本。3D紙堆或可折疊折紙?jiān)O(shè)計(jì)擴(kuò)展了μPAD的復(fù)雜性和多路復(fù)用能力，使其能夠集成更先進(jìn)的抗體或核酸檢測(cè)。μPAD是無(wú)電的，因此是低資源環(huán)境中POC應(yīng)用的有前景的診斷工具。

免責(zé)聲明:文章來(lái)源doi.org/10.1039/D4LC00117F 以傳播知識(shí)、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨。轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除。