Applications of artificial intelligence-driven microfluidics in medical laboratory science

Abstract

Microfluidics has rapidly advanced in medical laboratory science (MLS) applications due to its precise detection capabilities, allowing for analysis with minimal sample volume and fast response time. However, traditional data processing methods in MLS face considerable challenges when extracting meaningful insights from large, complex datasets. Artificial intelligence (AI), with its advanced algorithms in machine learning, image processing, and pattern recognition, provides robust analytical tools that enhance data extraction and interpretation, advancing the development of intelligent microfluidics applications in MLS. This review presents the first comprehensive summary of AI-driven microfluidics applications in MLS. Initially, the review introduces the basic concepts of AI and its advantages in data analysis. It then outlines the limitations of microfluidics, followed by a detailed discussion on the unique advantages of integrating AI with microfluidics. Next, the review presents various AI-driven applications in microfluidic systems for detecting cells, bacteria, nucleic acids, proteins, emphasizing innovative methodologies in these areas. Finally, the review discusses current challenges and explores potential solutions of AI-driven microfluidics for MLS.

Keywords

AI / bacteria / cell / machine learning / microfluidics / nucleic acid / protein / virus

References

[1] D. A. Hashimoto, E. Witkowski, L. Gao, O. Meireles, G. Rosman, Anesthesiology 2020, 132, 379.

[2] C. W. Connor, Anesthesiology 2019, 131, 1346.

[3] K. H. Yu, E. Healey, T. Y. Leong, I. S. Kohane, A. K. Manrai, N. Engl. J. Med. 2024, 390, 1895.

[4] Y. Y. M. Aung, D. C. S. Wong, D. S. W. Ting, Br. Med. Bull. 2021, 139, 4.

[5] A. K. Priya, B. Devarajan, A. Alagumalai, H. Song, Sci. Total Environ. 2023, 886, 163913.

[6] J. Sak, M. Suchodolska, Nutrients 2021, 13, 322.

[7] M. D. Howell, G. S. Corrado, K. B. DeSalvo, JAMA 2024, 331, 242.

[8] J. U. Becker, D. Mayerich, M. Padmanabhan, J. Barratt, A. Ernst, P. Boor, P. A. Cicalese, C. Mohan, H. V. Nguyen, B. Roysam, Kidney Int. 2020, 98, 65.

[9] J. D. Zeitoun, P. Ravaud, Lancet Digit. Health 2020, 2, e338.

[10] M. Mitchell, Science 2024, 385, eadq9356.

[11] J. Stilgoe, Science 2023, 381, eadk0176.

[12] Y. Yang, F. Xu, J. Chen, C. Tao, Y. Li, Q. Chen, S. Tang, H. K. Lee, W. Shen, Biosens. Bioelectron. 2023, 229, 115233.

[13] H. Wang, Y. Shao, S. Zhou, C. Zhang, N. Xiu, IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 2022, 44, 7253.

[14] A. A. Theodosiou, R. C. Read, J. Infect. 2023, 87, 287.

[15] C. Varghese, E. M. Harrison, G. O'Grady, E. J. Topol, Nat. Med. 2024, 30, 1257.

[16] S. Kim, P. Y. Lu, S. Mukherjee, M. Gilbert, L. Jing, V. Ceperic, M. Soljacic, IEEE Trans. Neural Netw. Learn. Syst. 2021, 32, 4166.

[17] K. Wang, M. A. Abid, A. Rasheed, J. Crossa, S. Hearne, H. Li, Mol. Plant 2023, 16, 279.

[18] V. D. Nagarajan, S. L. Lee, J. L. Robertus, C. A. Nienaber, N. A. Trayanova, S. Ernst, Eur. Heart J. 2021, 42, 3904.

[19] J. Li, Z. Guan, J. Wang, C. Y. Cheung, Y. Zheng, L. L. Lim, C. C. Lim, P. Ruamviboonsuk, R. Raman, L. Corsino, J. B. Echouffo-Tcheugui, A. O. Y. Luk, L. J. Chen, X. Sun, H. Hamzah, Q. Wu, X. Wang, R. Liu, Y. X. Wang, T. Chen, X. Zhang, X. Yang, J. Yin, J. Wan, W. Du, T. C. Quek, J. H. L. Goh, D. Yang, X. Hu, T. X. Nguyen, S. K. H. Szeto, P. Chotcomwongse, R. Malek, N. Normatova, N. Ibragimova, R. Srinivasan, P. Zhong, W. Huang, C. Deng, L. Ruan, C. Zhang, C. Zhang, Y. Zhou, C. Wu, R. Dai, S. W. C. Koh, A. Abdullah, N. K. Y. Hee, H. C. Tan, Z. H. Liew, C. S. Tien, S. L. Kao, A. Y. L. Lim, S. F. Mok, L. Sun, J. Gu, L. Wu, T. Li, D. Cheng, Z. Wang, Y. Qin, L. Dai, Z. Meng, J. Shu, Y. Lu, N. Jiang, T. Hu, S. Huang, G. Huang, S. Yu, D. Liu, W. Ma, M. Guo, X. Guan, X. Yang, C. Bascaran, C. R. Cleland, Y. Bao, E. I. Ekinci, A. Jenkins, J. C. N. Chan, Y. M. Bee, S. Sivaprasad, J. E. Shaw, R. Simó, P. A. Keane, C. Y. Cheng, G. S. W. Tan, W. Jia, Y. C. Tham, H. Li, B. Sheng, T. Y. Wong, Nat. Med. 2024, 30, 2886.

[20] G. Wang, X. Liu, Z. Ying, G. Yang, Z. Chen, Z. Liu, M. Zhang, H. Yan, Y. Lu, Y. Gao, K. Xue, X. Li, Y. Chen, Nat. Med. 2023, 29, 2633.

[21] S. K. Wagner, B. Liefers, M. Radia, G. Zhang, R. Struyven, L. Faes, J. Than, S. Balal, C. Hennings, C. Kilduff, P. Pooprasert, S. Glinton, M. Arunakirinathan, P. Giannakis, I. Z. Braimah, I. S. H. Ahmed, M. Al-Feky, H. Khalid, D. Ferraz, J. Vieira, R. Jorge, S. Husain, J. Ravelo, A. M. Hinds, R. Henderson, H. I. Patel, S. Ostmo, J. P. Campbell, N. Pontikos, P. J. Patel, P. A. Keane, G. Adams, K. Balaskas, Lancet Digit. Health 2023, 5, e340.

[22] C. Deng, Y. Wang, C. Qin, Y. Fu, W. Lu, Nat. Commun. 2022, 13, 388.

[23] K. N. Sasidhar, N. H. Siboni, J. R. Mianroodi, M. Rohwerder, J. Neugebauer, D. Raabe, Sci. Adv. 2023, 9, eadg7992.

[24] D. Goodman-Meza, C. L. Shover, J. A. Medina, A. B. Tang, S. Shoptaw, A. A. T. Bui, JAMA Netw. Open 2022, 5, e2225593.

[25] M. A. Morales, W. J. Manning, R. Nezafat, Radiology 2024, 310, e231269.

[26] H. Zhang, J. Yang, R. Sun, S. Han, Z. Yang, L. Teng, Acta Pharm. Sin. B 2023, 13, 3277.

[27] X. Yu, S. Park, S. Lee, S. W. Joo, J. Choo, Nano Converg. 2024, 11, 17.

[28] C. Sharkey, R. White, M. Finocchiaro, J. Thomas, J. Estevam, T. Konry, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2024, 26, 119.

[29] G. M. Whitesides, Nature 2006, 442, 368.

[30] Z. Li, X. Xu, D. Wang, X. Jiang, Trends Analyt. Chem. 2023, 158, 116871.

[31] K. Wu, X. He, J. Wang, T. Pan, R. He, F. Kong, Z. Cao, F. Ju, Z. Huang, L. Nie, Front. Bioeng. Biotechnol. 2022, 10, 1112327.

[32] C. Li, W. He, N. Wang, Z. Xi, R. Deng, X. Liu, R. Kang, L. Xie, X. Liu, Front. Bioeng. Biotechnol. 2022, 10, 907232.

[33] A. Manz, N. Graber, H. M. Widmer, Sensor. Actuat. B Chem. 1990, 1, 244.

[34] Y. Xia, G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550.

[35] T. Thorsen, S. J. Maerkl, S. R. Quake, Science 2002, 298, 580.

[36] X. Wang, X. Z. Hong, Y. W. Li, Y. Li, J. Wang, P. Chen, B. F. Liu, Mil. Med. Res. 2022, 9, 11.

[37] C. J. Easley, J. M. Karlinsey, J. M. Bienvenue, L. A. Legendre, M. G. Roper, S. H. Feldman, M. A. Hughes, E. L. Hewlett, T. J. Merkel, J. P. Ferrance, J. P. Landers, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 19272.

[38] S. Nagrath, L. V. Sequist, S. Maheswaran, D. W. Bell, D. Irimia, L. Ulkus, M. R. Smith, E. L. Kwak, S. Digumarthy, A. Muzikansky, P. Ryan, U. J. Balis, R. G. Tompkins, D. A. Haber, M. Toner, Nature 2007, 450, 1235.

[39] Z. Zhao, R. Wang, X. Yang, J. Jia, Q. Zhang, S. Ye, S. Man, L. Ma, ACS Nano 2024, 18, 33505.

[40] J. Riordon, D. Sovilj, S. Sanner, D. Sinton, E. W. K. Young, Trends Biotechnol. 2019, 37, 310.

[41] X. Ma, G. Guo, X. Wu, Q. Wu, F. Liu, H. Zhang, N. Shi, Y. Guan, Micromachines 2023, 14, 972.

[42] J. Li, J. Chen, H. Bai, H. Wang, S. Hao, Y. Ding, B. Peng, J. Zhang, L. Li, W. Huang, Research 2022, 2022, 9869518.

[43] S. Srikanth, S. K. Dubey, A. Javed, S. Goel, Sensor. Actuat. A Phys. 2021, 332, 113096.

[44] Z. Gao, Y. Li, Biomicrofluidics 2023, 17, 051301.

[45] A. C. Fernandes, K. V. Gernaey, U. Krühne, Biotechnol. Adv. 2018, 36, 1341.

[46] F. Pennestrì, G. Banfi, Clin. Chem. Lab. Med. 2022, 60, 1867.

[47] C. Naugler, D. L. Church, Crit. Rev. Clin. Lab Sci. 2019, 56, 98.

[48] H. Sun, W. Xie, J. Mo, Y. Huang, H. Dong, Front. Bioeng. Biotechnol. 2023, 11, 1208648.

[49] H. Xu, J. Wang, Y. Zhang, G. Zhang, Z. Xiong, Sensors 2022, 23, 437.

[50] L. Jose, S. Liu, C. Russo, A. Nadort, A. Di Ieva, J. Pathol. Inform. 2021, 12, 43.

[51] C. Wang, H. Zhu, Y. Zhao, W. Shi, H. Fu, Y. Zhao, Z. Han, Food Chem. 2025, 463, 141393.

[52] K. He, G. Gkioxari, P. Dollar, R. Girshick, IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 2020, 42, 386.

[53] H. Ghasemzadeh, R. E. Hillman, D. D. Mehta, J. Speech Lang. Hear. Res. 2024, 67, 753.

[54] X. Jia, Y. Zhang, B. Wu, J. Wang, X. Cao, IEEE Trans. Image Process. 2022, 31, 4417.

[55] S. Zare Harofte, M. Soltani, S. Siavashy, K. Raahemifar, Small 2022, 18, 2203169.

[56] M. T. Doganay, P. Chakraborty, S. M. Bommakanti, S. Jammalamadaka, D. Battalapalli, A. Madabhushi, M. S. Draz, Lab Chip 2024, 24, 4998.

[57] C. Wang, C. Wang, Y. Wu, J. Gao, Y. Han, Y. Chu, L. Qiang, J. Qiu, Y. Gao, Y. Wang, F. Song, Y. Wang, X. Shao, Y. Zhang, L. Han, Adv. Healthcare Mater. 2022, 11, e2102800.

[58] N. H. Bhuiyan, J. H. Hong, M. J. Uddin, J. S. Shim, Anal. Chem. 2022, 94, 3872.

[59] H. Liu, L. Nan, F. Chen, Y. Zhao, Y. Zhao, Lab Chip 2023, 23, 2497.

[60] S. Deng, C. Li, J. Cao, Z. Cui, J. Du, Z. Fu, H. Yang, P. Chen, Theranostics 2023, 13, 4526.

[61] D. S. de Bruijn, H. R. A. Ten Eikelder, V. A. Papadimitriou, W. Olthuis, A. van den Berg, Cytometry A 2023, 103, 221.

[62] M. K. Kanakasabapathy, H. J. Pandya, M. S. Draz, M. K. Chug, M. Sadasivam, S. Kumar, B. Etemad, V. Yogesh, M. Safavieh, W. Asghar, J. Z. Li, A. M. Tsibris, D. R. Kuritzkes, H. Shafiee, Lab Chip 2017, 17, 2910.

[63] M. P. McRae, K. S. Rajsri, T. M. Alcorn, J. T. McDevitt, Sensors 2022, 22, 6355.

[64] S. Zhang, Z. Han, H. Qi, Z. Zhang, Z. Zheng, X. Duan, Anal. Chim. Acta 2024, 1317, 342899.

[65] D. Rossi, D. Dannhauser, M. Telesco, P. A. Netti, F. Causa, Lab Chip 2019, 19, 3888.

[66] A. Hirotsu, H. Kikuchi, H. Yamada, Y. Ozaki, R. Haneda, S. Kawata, T. Murakami, T. Matsumoto, Y. Hiramatsu, K. Kamiya, D. Yamashita, Y. Fujimori, Y. Ueda, S. Okazaki, M. Kitagawa, H. Konno, H. Takeuchi, Lab Chip 2022, 22, 3464.

[67] Y. Yao, L. He, L. Mei, Y. Weng, J. Huang, S. Wei, R. Li, S. Tian, P. Liu, X. Ruan, D. Wang, F. Zhou, C. Lei, Cytometry A 2023, 103, 646.

[68] Z. Tong, D. Yang, C. Shen, C. Li, X. Xu, Q. Li, Z. Wu, H. Ma, F. Chen, H. Mao, Anal. Chim. Acta 2024, 1296, 342337.

[69] L. Shang, P. Liang, L. Xu, Y. Xue, K. Liu, Y. Wang, X. Bao, F. Chen, H. Peng, Y. Wang, J. Ju, B. Li, Anal. Chem. 2024, 96, 248.

[70] M. Hussain, J. Zou, X. Liu, R. Chen, S. Tang, Z. Huang, J. Zhuang, L. Zhang, Y. Tang, Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2023, 288, 122206.

[71] H. Quan, S. Wang, X. Xi, Y. Zhang, Y. Ding, Y. Li, J. Lin, Y. Liu, Biosens. Bioelectron. 2024, 245, 115837.

[72] S. Kim, M. H. Lee, T. Wiwasuku, A. S. Day, S. Youngme, D. S. Hwang, J. Y. Yoon, Biosens. Bioelectron. 2021, 188, 113335.

[73] S. Kim, A. S. Day, J. Y. Yoon, Anal. Bioanal. Chem. 2022, 414, 3895.

[74] J. Choi, J. Yoo, M. Lee, E. G. Kim, J. S. Lee, S. Lee, S. Joo, S. H. Song, E. C. Kim, J. C. Lee, H. C. Kim, Y. G. Jung, S. Kwon, Sci. Transl. Med. 2014, 6, 267ra174.

[75] W. Qiu, S. Nagl, ACS Sens. 2021, 6, 1147.

[76] C. Li, S. McCrone, J. W. Warrick, D. R. Andes, Z. Hite, C. F. Volk, W. E. Rose, D. J. Beebe, Lab Chip 2023, 23, 2005.

[77] J. Riti, G. Sutra, T. Naas, H. Volland, S. Simon, K. Perez-Toralla, Biosens. Bioelectron. 2024, 257, 116301.

[78] H. Sun, W. Xie, Y. Huang, J. Mo, H. Dong, X. Chen, Z. Zhang, J. Shang, Talanta 2023, 258, 124470.

[79] L. Zhang, H. Wang, S. Yang, J. Liu, J. Li, Y. Lu, J. Cheng, Y. Xu, ACS Nano 2024, 18, 24236.

[80] Y. H. Roh, C. Y. Lee, S. Lee, H. Kim, A. Ly, C. M. Castro, J. Cheon, J. H. Lee, H. Lee, Adv. Sci. 2023, 10, 2206872.

[81] K. Wu, Q. Fang, Z. Zhao, Z. Li, Anal. Chem. 2023, 95, 5069.

[82] D. Cai, Y. Wang, J. Zou, Z. Li, E. Huang, X. Ouyang, Z. Que, Y. Luo, Z. Chen, Y. Jiang, G. Zhang, H. Wu, D. Liu, Adv. Sci. 2023, 10, 2205863.

[83] W. Zhao, Y. Zhou, Y. Z. Feng, X. Niu, Y. Zhao, J. Zhao, Y. Dong, M. Tan, Y. Xianyu, Y. Chen, ACS Nano 2023, 17, 13700.

[84] S. Duan, T. Cai, J. Zhu, X. Yang, E. G. Lim, K. Huang, K. Hoettges, Q. Zhang, H. Fu, Q. Guo, X. Liu, Z. Yang, P. Song, Anal. Chim. Acta 2023, 1248, 340868.

[85] Y. Song, J. Zhao, T. Cai, A. Stephens, S. H. Su, E. Sandford, C. Flora, B. H. Singer, M. Ghosh, S. W. Choi, M. Tewari, K. Kurabayashi, Biosens. Bioelectron. 2021, 180, 113088.

[86] Y. Zhang, M. A. Wright, K. L. Saar, P. Challa, A. S. Morgunov, Q. A. E. Peter, S. Devenish, C. M. Dobson, T. P. J. Knowles, Lab Chip 2021, 21, 2922.

[87] N. Yang, W. Song, Y. Xiao, M. Xia, L. Xiao, T. Li, Z. Zhang, N. Yu, X. Zhang, ACS Nano 2024, 18, 4862.

[88] D. C. Braz, M. P. Neto, F. M. Shimizu, A. C. Sá, R. S. Lima, A. L. Gobbi, M. E. Melendez, L. Arantes, A. L. Carvalho, F. V. Paulovich, O. N. Oliveira,, Talanta 2022, 243, 123327.

[89] J. Noor, A. Chaudhry, S. Batool, Cureus 2023, 15, e39634.

[90] S. Liu, H. Wang, L. Yu, Y. Ren, H. R. Bouma, J. Liu, H. C. van der Mei, H. J. Busscher, Nano Lett. 2023, 23, 8326.

[91] N. Qin, P. Zhao, E. A. Ho, G. Xin, C. L. Ren, ACS Sens. 2021, 6, 3.

[92] M. L. Bayot, B. N. Bragg, in StatPearls, StatPearls Publishing, Treasure Island (FL) 2025.

[93] K. Zhang, S. Qin, S. Wu, Y. Liang, J. Li, Chem. Sci. 2020, 11, 6352.

[94] L. Li, G. Shen, M. Wu, J. Jiang, Q. Xia, P. Lin, Trends Biotechnol. 2022, 40, 1326.

[95] Y. Liu, Y. Chen, L. Dang, Y. Liu, S. Huang, S. Wu, P. Ma, H. Jiang, Y. Li, Y. Pan, Y. Wei, X. Ma, M. Liu, Q. Ji, T. Chi, X. Huang, X. Wang, F. Zhou, Mol. Cancer 2021, 20, 157.

[96] W. Chen, H. Luo, L. Zeng, Y. Pan, J. B. Parr, Y. Jiang, C. H. Cunningham, K. L. Hawley, J. D. Radolf, W. Ke, J. Ou, J. Yang, B. Yang, H. Zheng, Nat. Commun. 2022, 13, 4671.

[97] C. Lin, F. Chen, D. Huang, W. Li, C. He, Y. Tang, X. Li, C. Liu, L. Han, Y. Yang, Y. Zhu, R. Chen, Y. Shi, C. Xia, Z. Yan, H. Du, L. Huang, Biosens. Bioelectron. 2023, 239, 115609.

[98] R. Hu, C. Guo, C. Liu, Q. Zhang, X. Zhang, Y. Chen, Y. Liu, Anal. Chem. 2024, 96, 14197.

[99] Z. Li, L. Hua, L. Xie, D. Wang, X. Jiang, Anal. Chem. 2023, 95, 6940.

[100] Y. Liu, Y. Yang, G. Wang, D. Wang, P. L. Shao, J. Tang, T. He, J. Zheng, R. Hu, Y. Liu, Z. Xu, D. Niu, J. Lv, J. Yang, H. Xiao, S. Wu, S. He, Z. Tang, Y. Liu, M. Tang, X. Jiang, J. Yuan, H. Dai, B. Zhang, Nat. Biomed. Eng. 2023, 7, 1636.

[101] N. L. Welch, M. Zhu, C. Hua, J. Weller, M. E. Mirhashemi, T. G. Nguyen, S. Mantena, M. R. Bauer, B. M. Shaw, C. M. Ackerman, S. G. Thakku, M. W. Tse, J. Kehe, M. M. Uwera, J. S. Eversley, D. A. Bielwaski, G. McGrath, J. Braidt, J. Johnson, F. Cerrato, G. K. Moreno, L. A. Krasilnikova, B. A. Petros, G. L. Gionet, E. King, R. C. Huard, S. K. Jalbert, M. L. Cleary, N. A. Fitzgerald, S. B. Gabriel, G. R. Gallagher, S. C. Smole, L. C. Madoff, C. M. Brown, M. W. Keller, M. M. Wilson, M. K. Kirby, J. R. Barnes, D. J. Park, K. J. Siddle, C. T. Happi, D. T. Hung, M. Springer, B. L. MacInnis, J. E. Lemieux, E. Rosenberg, J. A. Branda, P. C. Blainey, P. C. Sabeti, C. Myhrvold, Nat. Med. 2022, 28, 1083.

[102] B. Shan, Y. Y. Broza, W. Li, Y. Wang, S. Wu, Z. Liu, J. Wang, S. Gui, L. Wang, Z. Zhang, W. Liu, S. Zhou, W. Jin, Q. Zhang, D. Hu, L. Lin, Q. Zhang, W. Li, J. Wang, H. Liu, Y. Pan, H. Haick, ACS Nano 2020, 14, 12125.

[103] M. A. Nalls, C. Y. McLean, J. Rick, S. Eberly, S. J. Hutten, K. Gwinn, M. Sutherland, M. Martinez, P. Heutink, N. M. Williams, J. Hardy, T. Gasser, A. Brice, T. R. Price, A. Nicolas, M. F. Keller, C. Molony, J. R. Gibbs, A. Chen-Plotkin, E. Suh, C. Letson, M. S. Fiandaca, M. Mapstone, H. J. Federoff, A. J. Noyce, H. Morris, V. M. Van Deerlin, D. Weintraub, C. Zabetian, D. G. Hernandez, S. Lesage, M. Mullins, E. D. Conley, C. A. Northover, M. Frasier, K. Marek, A. G. Day-Williams, D. J. Stone, J. P. Ioannidis, A. B. Singleton, Lancet Neurol. 2015, 14, 1002.

[104] H. Im, D. Pathania, P. J. McFarland, A. R. Sohani, I. Degani, M. Allen, B. Coble, A. Kilcoyne, S. Hong, L. Rohrer, J. S. Abramson, S. Dryden-Peterson, L. Fexon, M. Pivovarov, B. Chabner, H. Lee, C. M. Castro, R. Weissleder, Nat. Biomed. Eng. 2018, 2, 666.

[105] D. Wang, X. Wang, F. Ye, J. Zou, J. Qu, X. Jiang, ACS Nano 2023, 17, 7250.

[106] L.-M. Fu, Y.-N. Wang, TrAC, Trends Anal. Chem. 2018, 107, 196.

[107] B. Wang, Y. Li, M. Zhou, Y. Han, M. Zhang, Z. Gao, Z. Liu, P. Chen, W. Du, X. Zhang, X. Feng, B. F. Liu, Nat. Commun. 2023, 14, 1341.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Interdisciplinary Medicine published by Wiley-VCH GmbH on behalf of Nanfang Hospital, Southern Medical University.