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不到两块钱的离心机,还能改善医疗!

你小时候有玩过这种小玩具吗?一根线,两只手,就可以让纽扣神奇地旋转起来:

在你们的家乡,这种小玩具叫什么名字?图片来源:Stanford

在马达加斯加,一群斯坦福大学研究者和当地的医务人员也“玩”起了类似的东西。不过,这并不是对童年回忆的复刻——这种玩具似的小装置,其实是斯坦福大学生物工程教授马努·普拉卡什(Manu Prakash)团队开发的离心机替代装置。

这些研究者并不是在玩耍。利用这样的拽拉动作,纸片中装有血液样本的毛细管能够获得被离心机离心的效果。图片来源:Stanford

随着现代医学和分子生物学的发展,离心机已经走进了几乎每一个生物学实验室和医院化验科。它在运作时利用高速旋转使离心样品中密度不同的组分以不同的速度运动开去,从而实现组分的彼此分离。从纯化实验、层析实验到沉降血液样本,大量的实验都用得到离心机。在许多化验项目中,血液样本的离心分层是第一步。没了离心机,连测个血常规都寸步难行。

实验室中的离心机可能是生物医学研究者使用得最频繁的实验设备之一。图片来源:Stanford

然而,这种常用设备却并不便宜。尽管许多科研机构的实验设备都日趋高大上,但很多欠发达地区仍没有条件给当地的医疗力量配备足够的离心机——或者使离心机运作的电力——来为当地居民提供基础医疗诊断服务。而这些地区又往往是传染病容易滋生的地区, 对相关检验的需求有时更甚。怎么帮助这些地区?研究者决定开发一种实用、廉价又不费电的离心设备。

利用与旋转纽扣玩具相同的原理,普拉卡什团队开发了一套简易的手动离心装置。图片来源:Manu Prakash et al.

借助两股绳子扭转拉伸的巧力,这个只需要两股绳、两片纸和两根木手柄的装置能够发挥离心机的功能。研究者分析了这款玩具的力学过程,研究如何让中间的纸片获得最高的旋转速度。最终,他们开发出了一套简易、低成本的手动离心装置。解析这套装置的论文[1]本周发表在《自然·生物医学工程》期刊上。这小小的“纸片离心机”,也许能大大地改善全球贫困地区的疾病诊疗现状。

在对这个体系进行了严肃的物理建模分析和数据采集后,他们发现这套装置的转速可以达到每分钟125000转——每秒超过2000圈。如果中间纸片的半径为50毫米,最大转速时产生的“离心力”(注:离心力是一种惯性力)将近30000g,完全足够进行生物样本的处理。

半径50毫米的“纸质离心机”在不同时间的旋转速度变化。Pull force表示操作者施加拉力的时刻。图片来源:Manu Prakash et al.

在实践中,这套“纸质离心机”也表现出的实用性也毫不逊色。在纸片中对称插入装有血样的毛细管,手动离心1.5分钟,便可以分离毛细管中的血浆和血细胞。若毛细管中是疑似疟疾病人的全血,这套装置则只需15分钟便可分离出含有疟原虫的血细胞。

用纸离心装置分离毛细管中的全血。毛细管内涂有能让疟原虫着色的染料,用于指尖取血。塑料浮子的比重在血浆和血细胞之间,便于扩大不同细胞层的高度。在离心15分钟后血液清晰分层,并能在相应层中观察到疟原虫。原图来源:参考文献[1]

“纸质离心机”的不足之处是显而易见的,但作为离心机的廉价替代品,它的开发依然很有意义。在经过各方面优化后,这套手动离心装备的制作成本只有20美分,也即不到1.5元人民币。研究人员在马达加斯加进行的测试也表明,这种装备的使用方法十分易于掌握。希望它能帮助更多偏远贫困地区的人们享受到基础而必不可少的医疗服务。

(编辑:Calo;排版:Sol_阳阳)

参考文献:M. Saad Bhamla, et al. Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nature Biomedical Engineering 1, Article number: 0009 (2017) doi:10.1038/s41551-016-0009

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