《Biosensors》：Microfluidics for Periprosthetic Joint Infection (PJI) Detection: Summaries and Future Perspectives
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假体周围关节感染（PJI）是人工关节置换术后一种严重且难以治疗的并发症，发生率约为全关节置换术的1%–2%，通常由细菌黏附至假体表面并形成生物膜所致。由于该疾病缺乏单一的确定性诊断指标，需要结合血清炎症指标、关节滑液检测、微生物培养、影像学检查和术中病理进行综
假体周围关节感染（PJI）是人工关节置换术后一种严重且难以治疗的并发症，发生率约为全关节置换术的1%–2%，通常由细菌黏附至假体表面并形成生物膜所致。由于该疾病缺乏单一的确定性诊断指标，需要结合血清炎症指标、关节滑液检测、微生物培养、影像学检查和术中病理进行综合判断。尽管微生物培养仍是金标准，但其通常需要3天以上。微流控技术突破了传统培养和常规核酸检测耗时长、样本需求量大、操作复杂、设备笨重的局限，在细菌病原体的实时、微量、多指标同步检测方面具有不可替代的优势；而PJI的严重后果要求更先进、更快速的检测技术以支持更有效的治疗。该综述除总结过去五年微流控技术在细菌检测领域的研究进展外，还提出并分析了未来可能在PJI检测领域发展的微流控技术策略。
1. 引言
PJI是人工关节置换术后严重并发症，主要由细菌在假体表面形成生物膜所致。临床诊断需结合血清学、滑液、病理、影像和微生物培养，但培养需2–3天。微流控技术可在芯片上集成样本处理与信号读取，具有快速、微量、多指标同步检测优势。
2. 微流控技术在细菌病原体检测中的进展
按功能原理分为光学、电化学、蛋白标志物和聚合酶链式反应（PCR）四类。
2.1 光学检测
光学检测与微流控集成后可用于高灵敏细菌分析。例如，纸基荧光传感器阵列可区分16种细菌，准确率超90%；毛细管微流控试纸条可在4–8小时内完成菌落和噬菌斑计数；纸基折纸微流控装置结合核酸扩增用于即时检测（POCT）；环介导等温扩增（LAMP）、CRISPR/Cas12a与表面增强拉曼散射（SERS）结合可实现超灵敏病原检测。
2.2 电化学检测
电化学微流控将化学信号转为电信号。例如，正介电电泳（pDEP）富集结合电化学阻抗谱（EIS）可在50分钟内检测牛奶中沙门氏菌，检测限为2 CFU/mL；CRISPR/Cas12a微流控芯片可同时检测金黄色葡萄球菌和沙门氏菌；适体传感器30分钟内检测副溶血性弧菌，检测限为5.74 CFU/mL。
2.3 蛋白生物标志物
蛋白标志物检测依赖抗体或捕获探针固定于微通道或磁珠。例如，基于分子印迹聚合物（MIPs）的热传感器可通过绿脓素定量铜绿假单胞菌；微流控平台研究发现抗菌肽的群体最低抑菌浓度（MIC）会随接种密度升高而增加；智能手机微流控平台结合Au@Pt纳米酶可在15分钟内定量检测尿液中的大肠杆菌。
2.4 聚合酶链反应
微流控PCR将扩增过程微型化。连续流PCR芯片可同时扩增多种牙周病原菌；数字微流控超快PCR系统支持病原体即时诊断；自动化微流控芯片集成重组酶聚合酶扩增（RPA）-T7-Cas13a反应，30分钟内完成B组链球菌检测；液滴微流控单细胞测序无需纯培养即可获得菌株级基因组。
3. 微流控方法用于PJI检测
滑液样本量少且黏度高，传统离心预处理仍常用。已有微流控平台用于筛选PJI标志物α-防御素（HNP-1）的核酸适体，并实现滑液中HNP-1和C反应蛋白（CRP）的夹心法检测；纸基适体平台可降低样本量要求。集成叠氮溴化乙锭预处理与PCR的微流控系统可在55分钟内完成活菌检测；微流控实时荧光定量PCR（qPCR）芯片在310例患者中验证，约59分钟可筛查金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌；16S rDNA靶向微滴数字PCR（ddPCR）的检测限比实时PCR低一个数量级以上。
4. 展望
4.1 微波片芯片
微波片芯片由大量微腔组成，仅需数微升样本，可将培养时间从数天缩短至数小时，并支持抗生素敏感性试验（AST）和MIC测定。研究团队已发展出“digital GUS-AST”方法，4.5小时内完成尿液样本中大肠杆菌定量、AST和MIC检测。
4.2 针对PJI病原体的微流控检测研究
大肠杆菌方面，已有自动化液滴系统实现采样和富集，电解裂解模块可快速释放核酸，光学与SERS等技术实现超灵敏检测。真菌方面，PCR-反向杂交微流控芯片可同时鉴定13种真菌，微流控电化学集成传感器（MEIS）对白色念珠菌捕获率超95%。金黄色葡萄球菌方面，微流控结合LAMP可检测医院空气中的病原菌，比色芯片用于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）药敏试验；表皮葡萄球菌研究较少，但微流控证明流体剪切力可诱导其形成生物膜。
4.3 人工智能
人工智能（AI）可辅助监测微波片芯片的大量微腔。基于视觉Transformer（ViT）的无标记细菌分类准确率超98%，自监督学习方法可用于PJI病理图像分析。针对PJI样本稀缺，迁移学习、自监督学习和联邦学习等策略可提高模型泛化能力。
5. 结论
微流控技术可实现1小时内细菌鉴定和5小时内药敏结果，但针对PJI的研究仍少，原因包括病原多样、学科交叉障碍和样本稀缺。未来PJI检测将向速度、多功能、精准和智能化发展；微波片芯片有望升级培养技术，AI可提供全流程辅助诊断，但样本稀缺与检测限的失配仍需微流控预处理解决。
