综述：微流体系统在传染病诊断中的应用

微流控芯片

微生物包括单细胞和多细胞实体，作为自然界中无处不在的生命形式，表现出显著的多样性。它们通过提供维持不同生态系统（包括高等宿主生物）生物过程的基本成分发挥着关键作用。人体肠道微生物群内的复杂相互作用对代谢功能、免疫反应和生化信号传导至关重要，特别是通过肠道-大脑轴。病毒在生物过程中也发挥着重要作用，例如在活细胞内复制时通过水平基因转移增加遗传多样性。另一方面，微生物制剂对人体的感染可能会导至严重的生理紊乱和疾病。传染病对全球医疗保健系统构成了重大负担，其特征是流行病学格局的巨大变化。抗生素耐药性的快速传播或传染病的失控爆发是目前的主要挑战。此外，在资源匮乏的环境中，向受影响最严重的人群提供经过现场验证的护理点诊断工具尤为重要且具有挑战性。需要实施新的范式和技术方法，以实现快速和知情的疾病管理。在这方面，利用微流体系统结合基于集成生物传感器的病原体检测的传染病诊断提供了一系列创新和有前景的解决方案。在这篇综述中，我们旨在概述微流体诊断工具开发的最新活动和进展。本文献研究主要涵盖了过去5年科研人员遵循基于主要在临床层面涉及的人体系统或特定病原体传播模式的分类方案。结核病和疟疾等重要疾病将得到更广泛的治疗。

微流体和微流体装置

微观尺度下的流体性质流体动力学由Navier-Stokes方程控制，该方程原则上解释了宏观尺度上任何一种复杂的流体现象，包括湍流模式。通过将尺寸减小到微观尺度，力的平衡发生了变化。惯性力通常与粘性力或与界面相关的力无关。这会产生与我们的直觉相反的特定流体特性，但可能对微尺度上的生命和微流体装置的设计产生重大影响。例如，由于斯托克斯流的可逆性，细菌需要鞭毛而不是鳍来推进。微流体系统设计需要考虑到，由于层流特性，在微尺度上高效快速混合是具有挑战性的。另一方面，毛细管力使自推进的连续流流体回路成为可能。在两相液体系统中，非平衡效应可用于在微通道中产生单分散液滴。流体特性可以方便地用无量纲数来描述。特别是，微流体域的特征是雷诺数Re较小，对应于流体中惯性力与粘性力的比值。如果在中间Re数下操作，微流体应用也可能利用惯性效应。描述微流体中流动动力学和分子输运的相关数字的其他例子是Péclet数或毛细管数。这些数字在微流体装置的设计和分析集成中起着重要作用。

微流体设备类别微流体系统能够精确控制小液体样品体积的时空，并精确操纵生物分子、细胞或颗粒。弹性体聚合物（聚）二甲基硅氧烷（PDMS）带来了微流体装置或芯片实验室（LOC）设计的重大突破。具有片上单片PDMS阀和蠕动泵的微流体系统可以通过多层软光刻技术轻松制造，最终实现了生物分子检测的微流体大规模集成。由于PDMS是一种透氧透明材料，因此在片上实现了先进的基于细胞的检测，例如具有单细胞分辨率的快速AST、微生物群落或更大模型生物（如秀丽隐杆线虫）的研究。此外，生物分子可以通过功能化磁珠在片上捕获和运输。液滴微流体是一种强大而通用的格式，实现了具有数字读出的高通量生物测定。nL大小的液滴中的隔室和同时编码提供了高多路复用能力。其他特性，如液滴中的快速混沌混合，也可以被利用。许多应用已经适应了数字微流体，特别是用于单细胞分析，包括具有单细胞分辨率的快速高通量AST，或用于分子生物学。离心微流体或圆盘实验室（LoaD）设备，即在具有定制设计的流体回路的聚合物圆盘盒上实施生物测定，是可能用于POC应用的平台。等分、阀门和混合等操作，例如用于核酸的纯化和扩增，可以直接在圆盘上进行，用户干预最少，这也要归功于圆盘上的试剂存储。作为例如，一个片上实验室平台被设计用于急性发热性疾病的自动POC鉴别诊断。纸张是微流体应用的一种有吸引力的基材，因为它很便宜，一次性使用，由于自驱动毛细管流，不需要外部流体控制。侧流检测（LFA）或快速诊断测试（RDT）是用于定性诊断的常用简单纸质设备，主要用于免疫层析检测。实施更灵敏和定量的检测旨在克服LFA的当前局限性，并扩展可能的应用范围。微流体纸分析设备（μPAD）在纸基材上具有图案化的疏水边界，以创建微流体流体结构和可能的其他流体控制工具。μPAD能够分析复杂的（如血液）和少量的生化样本。3D纸堆或可折叠折纸设计扩展了μPAD的复杂性和多路复用能力，使其能够集成更先进的抗体或核酸检测。μPAD是无电的，因此是低资源环境中POC应用的有前景的诊断工具。

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