微生物包括單細胞和多細胞實體，作為自然界中無處不在的生命形式，表現(xiàn)出顯著的多樣性。它們通過提供維持不同生態(tài)系統(tǒng)（包括高等宿主生物）生物過程的基本成分發(fā)揮著關鍵作用。人體腸道微生物群內(nèi)的復雜相互作用對代謝功能、免疫反應和生化信號傳導至關重要，特別是通過腸道-大腦軸。病毒在生物過程中也發(fā)揮著重要作用，例如在活細胞內(nèi)復制時通過水平基因轉(zhuǎn)移增加遺傳多樣性。另一方面，微生物制劑對人體的感染可能會導致嚴重的生理紊亂和疾病。傳染病對全球醫(yī)療保健系統(tǒng)構(gòu)成了重大負擔，其特征是流行病學格局的巨大變化。抗生素耐藥性的快速傳播或傳染病的失控爆發(fā)是目前的主要挑戰(zhàn)。此外，在資源匱乏的環(huán)境中，向受影響最嚴重的人群提供經(jīng)過現(xiàn)場驗證的護理點診斷工具尤為重要且具有挑戰(zhàn)性。需要實施新的范式和技術方法，以實現(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發(fā)的最新活動和進展。本文獻研究主要涵蓋了過去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)流體動力學由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雜的流體現(xiàn)象，包括湍流模式。通過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的力無關。這會產(chǎn)生與我們的直覺相反的特定流體特性，但可能對微尺度上的生命和微流體裝置的設計產(chǎn)生重大影響。例如，由于斯托克斯流的可逆性，細菌需要鞭毛而不是鰭來推進。微流體系統(tǒng)設計需要考慮到，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，毛細管力使自推進的連續(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量綱數(shù)來描述。特別是，微流體域的特征是雷諾數(shù)Re較小，對應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，微流體應用也可能利用慣性效應。描述微流體中流動動力學和分子輸運的相關數(shù)字的其他例子是Péclet數(shù)或毛細管數(shù)。這些數(shù)字在微流體裝置的設計和分析集成中起著重要作用。

微流體設備類別微流體系統(tǒng)能夠精確控制小液體樣品體積的時空，并精確操縱生物分子、細胞或顆粒。彈性體聚合物（聚）二甲基硅氧烷（PDMS）帶來了微流體裝置或芯片實驗室（LOC）設計的重大突破。具有片上單片PDMS閥和蠕動泵的微流體系統(tǒng)可以通過多層軟光刻技術輕松制造，最終實現(xiàn)了生物分子檢測的微流體大規(guī)模集成。由于PDMS是一種透氧透明材料，因此在片上實現(xiàn)了先進的基于細胞的檢測，例如具有單細胞分辨率的快速AST、微生物群落或更大模型生物（如秀麗隱桿線蟲）的研究。此外，生物分子可以通過功能化磁珠在片上捕獲和運輸。液滴微流體是一種強大而通用的格式，實現(xiàn)了具有數(shù)字讀出的高通量生物測定。nL大小的液滴中的隔室和同時編碼提供了高多路復用能力。其他特性，如液滴中的快速混沌混合，也可以被利用。許多應用已經(jīng)適應了數(shù)字微流體，特別是用于單細胞分析，包括具有單細胞分辨率的快速高通量AST，或用于分子生物學。離心微流體或圓盤實驗室（LoaD）設備，即在具有定制設計的流體回路的聚合物圓盤盒上實施生物測定，是可能用于POC應用的平臺。等分、閥門和混合等操作，例如用于核酸的純化和擴增，可以直接在圓盤上進行，用戶干預最少，這也要歸功于圓盤上的試劑存儲。作為例如，一個片上實驗室平臺被設計用于急性發(fā)熱性疾病的自動POC鑒別診斷。紙張是微流體應用的一種有吸引力的基材，因為它很便宜，一次性使用，由于自驅(qū)動毛細管流，不需要外部流體控制。側(cè)流檢測（LFA）或快速診斷測試（RDT）是用于定性診斷的常用簡單紙質(zhì)設備，主要用于免疫層析檢測。實施更靈敏和定量的檢測旨在克服LFA的當前局限性，并擴展可能的應用范圍。微流體紙分析設備（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能夠分析復雜的（如血液）和少量的生化樣本。3D紙堆或可折疊折紙設計擴展了μPAD的復雜性和多路復用能力，使其能夠集成更先進的抗體或核酸檢測。μPAD是無電的，因此是低資源環(huán)境中POC應用的有前景的診斷工具。

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