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（2）工程生物系统实现了诸如生物传感，逻辑控制，通过合成基因调节的基因治疗等功能，并且完全依赖于生物学成分，并且不需要非生物技术整合。

（3）建议分类标准，例如安全/非安全生物学完全集成的定制系统（SEC）生物材料，优化设计决策，并强调将网络安全性提高到生物系统功能和安全性。

（4）生活系统负责传感，集成电路处理复杂的计算和通信，而微流体控制技术可提供高精度，以形成模块化和高效的设计。

【创新的研究内容】

混合工程生物系统整合了非生物技术，例如微流体和电子产品，以全面发挥各种领域的独特优势和协同作用，从而补充和扩展了纯工程生物学系统的功能（图1）。微流体设备可以准确地调节微环境和流体动力学，从而实现高通量筛选和对生物过程的精细分析。在显着加速反应动力学的同时，该技术平台大大降低了所需的样本量，提高了实验效率和成本效益以进行高精度分析。电子组件的集成通过传感器和执行器实现了对生物过程的实时监测和控制，从而增强了系统的通信和计算功能。例如，将电子技术集成到工程系统中可以实现纳秒级的准确性信号阅读和执行，从而大大提高了生物系统的响应速度和功能。尽管这种混合动力系统显示了在远程或难以到达的区域（例如环境监测，医疗诊断和治疗交付）中的应用前景，但研究人员仍需要考虑实际应用中的许多关键因素。

图1 CSB将工程化的生物系统，微流体技术和电子设备集成到混合平台

自21世纪初以来，电子和微流体技术和生物系统的融合一直在发展（图2）。由细胞感应和生物计算系统（CSB）驱动的未来应用方案涵盖了智能农业，网络生物生产和个性化医疗服务等领域。例如，用户可编程的工程生物系统可以优化粮食作物的增长和生产过程（请参阅生物工程路线图的官方网站）。这种类型的混合生物电子设备可以通过反馈控制系统实时监测植物健康，跟踪关键指标，并调整灌溉，营养供应和温室环境参数。在网络生物生产中，CSBS技术可以实现对药物，食品添加剂和化学物质的需求生物制造。自主生物反应器可以连续监测应变活力，应力水平和生产能力，并动态调整参数，例如pH，原材料比和温度，以优化输出。这样的反应堆可以设计为微流体或纳米流体平台，适合于微重力环境，在空间应用中具有巨大潜力。细胞电子混合设备通过实时不断监测多模式代谢和生化标记，为精确诊断和治疗提供了支持。同时，这些无线混合设备可以使用工程细胞来实施动态反馈处理以实现个性化的医疗解决方案。另一个重要的应用方向是部署无线混合工程生物系统，用于实时监测建筑环境和自然栖息地。该技术可以集成传感器网络和合成生物学成分，以建立具有环境响应能力的智能生态系统。

图2混合系统中电子技术，微流体控制和工程生物系统的整合发展历史

【工程生物系统中的微流体设计模式】

微流体设备可以准确，动态调节环境参数，例如温度，pH，营养梯度，气体浓度和化学暴露，这对于需要严格控制细胞行为和基因表达的工程生物系统尤为重要。这些平台通过操纵痕量流体来实现高通量实验，从而可以同时执行数千个并行检测（图1）。微型升级和纳米升级的工作量表可显着减少昂贵的试剂，酶和细胞的消耗，并且其封闭环境可以加速扩散，混合和反应动力学过程，而不是传统的批次实验（图1）。此外，微流体控制系统具有分离和监测单细胞的能力，可以揭示细胞间异质性和随机基因表达模式，并支持多种生物或合成微生物群落的共培养研究。

工程生物系统中使用的多元化微流体设计模式可以根据操作范式，流体驱动机构，流体流量控制方法，制造材料和设计自定义和自动化程度进行分类（图3）。设备范式主要分为被动，电点，液滴和连续流系统。被动系统使用毛细作用和表面张力来驱动没有外部能量的流体，并且通常用于实时诊断和简单的生化检测；电视系统改变了通过电场润湿的表面润湿，以实现精确的液滴操纵，这适用于数字微流体样品制备和混合分析；液滴系统通过磁场或不兼容的流体界面生成离散的液滴，这是高通量筛选，单细胞分析和分隔反应的理想选择。例如，微处理乳液发生器阵列每小时可以产生340万纳米升级的液滴，并且可以通过与携带基因基因引物的微量磁头共同封闭单个细胞来实现复杂细胞群体遗传突变的多个PCR准确分析。该系统使用玻璃- 聚二甲基硅氧烷复合膜微孔来控制液滴的产生，该液滴可以有效地识别正常K12细胞背景中的致病性大肠杆菌。相比之下，连续流动系统依靠外部泵和流体动力学来维持微通道的稳态流动，并且更适合连续过程，例如化学合成和细胞培养。

图3混合工程生物系统中微流体技术的概述

【工程生物系统中的电子模式】

电子计算和通信模块的集成增强了工程生物系统中数据的安全处理，存储和共享功能（图1）。这种融合驱动了复杂的混合设备的开发，从而允许对部署环境进行实时监测（例如废水中的有毒化学物质，人类分子疾病的标志物）和生物学活性（例如细胞密度，细胞密度，细胞膜电障碍）。电子增强技术支持闭环反馈机制，从而使生物条件的动态调整，以确保在温度和pH波动等恶劣环境中的最佳性能。此外，使用此时间域不匹配来自定义满足不同应用程序的混合系统，优化响应速度，能源消耗和资源利用率，可以定制型混合系统，从而创造了独特的集成机会，从而创造了独特的集成机会。

电子设计的核心要素是根据感应和驾驶模式，计算域，通信和能源供应策略以及小型化，定制和集成的分类（图4）。这些因素共同决定了生物电子系统之间双向信息传播的有效性和稳定性。为了改善实际应用，工程生物系统和电子设备的整合需要突破许多技术挑战。通常，现有系统之间的信息传输机制一般不足，需要正交传感驱动的解决方案。传感模式分为光学，电化学/化学，电容，热和压电类型。驾驶模式覆盖电磁，热，原声/压电和光电类型。例如，集成微流体层的混合电路系统可以通过微芯阵列来精确地对磁珠标记的细胞进行精确的空间操纵（图2）。基于现代硅的集成电路过程可以将多模式状态整合到单个CMOS芯片中，并通过通过细胞密度测量和发光传感的协作来启用工程的细胞状态监测和传感器校准。基于CMOS的电化学阻抗光谱和电容感应结构已应用于细胞/生物分子检测和实时生长监测（图2）。这些感应驱动器模式需要在能耗和尺寸限制下有效运行，同时增强生物电子系统相互作用，以实现实际应用中的无缝集成和功能优化。

图4混合工程生物系统中电子技术的概述

[工程生物系统分类系统]

图5工程生物系统的分类系统

图6工程生物系统应用的设计决策流图表

【摘要和展望】

电子和微流体生物系统的分类展示了技术如何以各种令人兴奋的方式与生物系统相互作用。这种分类标准不仅突出了当前的进步，而且还为CSB Design生态系统的未来创新铺平了道路。可以预见的是，开发模式将显示战略功能划分：感应功能主要是由工程生活或无细胞的系统进行的，而复杂的计算，安全的通信和实时反馈是由安全的自定义集成电路（ICS）通过先进的微荧光控制系统来完成的，并与生物学组件结冰。该体系结构充分利用了集成电路的可靠性和精确通信能力，微流体控制技术的高精度和高通量特征以及生物系统对环境感知和反馈的特异性和敏感性。所得的模块化设计将增强系统的鲁棒性，扩大设备应用的范围，并有望促进多学科领域的重大突破。

对121篇论文的初步分析表明，（SEC）Biofics Design继续在系统集成和复杂性方面取得突破。通过流程的微型化和工程创新，这些设计在紧凑的空间中实现了多功能集成，从而大大降低了单功能成本并提高了实际应用的成本效益。依靠高精度桌面电气/光学设备的生物波普罗斯，生物黑洛斯和Bioholos（Bioholos）类别未能达到单功能成本的同比降低，这突出了可伸缩性和经济性的局限性。

展望未来，该研究团队预计，比微流体或电子技术，生物学进步将更快地推动现场。这可能包括正交信号分子的应用，新型的细胞间通信技术或更具预测性的组合设计方法。当前，电子技术作为一门工程学科高度成熟，电子组件的性能远远超过了生物组件的元素。工程的主要重点是确保生物系统的可靠运行。 ——电子设备需要能够检测噪声信号或非确定性行为。