符合人体工程学的手持芯片：用于家庭快速自检的无仪器RPA-CRISPR平台

本文推荐一款创新的人体工程学手持微流控芯片（EHC），它通过仿生挥臂动作产生瞬时高加速度（amax=320 m/s2）驱动流体，整合特斯拉阀与可溶膜实现无泵、无热源、无外接电源的自动化RPA（重组酶聚合酶扩增）-CRISPR反应。临床验证显示其对高危HPV（人乳头瘤病毒）检测灵敏度达10-18 M，特异性100%，准确率97%，结合智能手机荧光成像与深度学习分析，为家庭分子诊断提供了低成本（1.7美元/次）、高隐私性的解决方案。

　　

亮点

基于凯恩方法的多体动力学建模

为实现可重复且可量化的无仪器流体驱动，我们从挥臂动作（一种常见且生物力学上高效的顺序能量传递策略）中汲取灵感。因此，我们建立了上肢的多体动力学模型，以在用户启动的挥臂动作与微流控芯片内的流体推进之间建立定量联系。使用凯恩方法，我们构建了一个三连杆、六自由度（DOF）的动力学模型，该模型将上肢简化为由肩关节、肘关节和腕关节连接的刚性节段。该模型能够计算由特定挥臂动作产生的末端效应器（手部）的瞬时加速度。通过将芯片固定在手中，该加速度被传递并转化为驱动试剂通过微通道所需的压力。该模型指导了芯片设计和操作手势的优化，以实现强大且用户无关的流体驱动。

讨论

在这项研究中，我们提出了一种符合人体工程学驱动的手持芯片（EHC）平台，用于无仪器和家庭化的分子诊断。该平台利用挥臂动作的生物力学，并将多体动力学建模与特斯拉阀引导的微流控技术相结合，实现了无需外部泵或电源的用户驱动流体驱动。可溶膜介导的定时控制与顺序RPA-CRISPR反应相结合，支持自动化的核酸扩增和检测。在高危HPV检测的临床验证中，该平台表现出卓越的灵敏度（检测限为10^-18 M）、100%的特异性和97%的整体准确度。智能手机采集的荧光图像通过深度学习模型进行分析，实现了与专家标注结果的100%一致性。该平台每次检测成本估计仅为1.70美元，为家庭分子检测提供了实用的解决方案，并在可及性、成本和用户隐私方面具有显著优势，有望加强流行病早期预警系统并提升公共卫生应急管理的响应能力。未来的工作将集中于进一步简化制造工艺、扩展检测菜单（例如包括其他性传播感染或呼吸道病原体）以及进行更大规模的现场验证研究。

作者贡献声明

张颖: 资源。

张凯婷: 软件, 资源。

陈东娟: 软件。

徐涛: 资源。

陈鹏: 写作-审阅和编辑, 验证, 项目管理, 方法论, 资金获取, 概念化。

李一伟: 写作-审阅和编辑, 调查, 资金获取, 概念化。

刘必峰: 写作-审阅和编辑, 监督, 项目管理, 调查, 概念化。

王欣: 写作-审阅和编辑, 验证, 软件, 调查, 数据管理, 概念化。

王山刚: 写作-审阅和编辑, 验证, 软件, 资源, 项目管理, 调查, 数据管理, 概念化。

李家硕: 写作-初稿, 可视化, 验证, 软件, 资源, 项目管理, 调查, 数据管理, 概念化。

未引用参考文献

凯恩和莱文森，1985；吴等人；扬奎斯特等人。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本报告的工作。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

我们衷心感谢中国国家重点研发计划（2023YFF1205002、2021YFA1101500和2024YFF1207300）和国家自然科学基金（22574058、32571640、32171248、12102142和12472319）以及湖北省世界一流大学和一流学科建设专项资金（5001170159），以及华中科技大学中央高校基本科研业务费（2025-1.1-17和2024107）的资助。我们也感谢BioRender (//www.biorender.com/) 提供的支持。