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实验室省钱新招数:几千美元的离心机,用纸板就能做出来

来源:互联网
更新时间:2017/4/26 0:17:17
责任编辑:鲁晓倩
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关键词:离心机;廉价;纸板;高转速;病毒分离


 

翻译 | 龚聪

视频字幕 | 吴非

转扣子大家都应该知道吧:将一根细绳穿过扣子的两个孔,在扣子一侧将绳子两端打结,把扣子放在两股绳子中间,抓住绳子两端,转动扣子让两股绳缠绕在一起,然后有节奏地拉扯绳子,扣子就快速转动起来。

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受到转扣子游戏的启发,两位斯坦福大学的生物工程师们制作了成本极低的人工离心器。这种人工离心器能在一分半钟的时间内将血液根据成分离心分层。仅仅用纸板、绳子和塑料就能实现。这种“纸板离心器”的转速能达到每分钟125 000转,产生的离心力能达到30 000Gs。“就我所知,这是人力能产生的最快转速了。”斯坦福大学的助理教授Manu Prakash说。

 

对如疟疾、非洲昏睡病、艾滋病和肺结核等疾病的检测是少不了使用离心器的。这种低成本的“纸板离心器”可用于服务疾病多发的偏远贫穷地区,为人们提供准确的检测。

 

目前,这种设备的物理研究和测试结果已经发表在1月10号上的《自然生物医学工程》(NatureBiomedical Engineering)上了。

 

有一个好处:它不用电

 

疾病诊断中,离心器用来分离血液中不同的成分,让病原体检测更加容易。普通离心器的工作原理是将液体放入设备内部可旋转的滚筒中,当滚筒开始旋转时,产生的离心力会使样品管内的成分根据密度不同而分为数层。对血液离心时,较重的红细胞沉在试管底部,血清在上层,而像导致疟疾的寄生虫则分布在中间。

Prakash的研究方向是为贫穷地区提供低成本科学工具。在乌干达的一次实地研究中,他发现当地一家诊所把昂贵的离心器用作门挡,原因是当地根本没有电来使用它。Prakash便萌发了制作一种新型离心器的想法。

 

在此之前,有过很多制造廉价、人力驱动的离心器的尝试。2008年,哈佛大学George Whiteside实验室用打蛋器旋转生物药品,转速达到1 200转/分钟。2011年,莱斯大学Rebecca-RechardsKortum实验室用沙拉搅拌器实现了600转/分钟的离心速度。

 

受到转扣子游戏的启发,Prakash开始跟实验室的一位名叫Saad Bhamla的博士后,论文的第一作者,一起讨论设计思路,即如何把人力转化为旋转力。经过数周的摸索,他们把目光放在了一种早在工业时代之前就已经出现的一种游戏上:转扣子。

 

“有天晚上,我在玩转扣子。出于好奇,我用高速相机记录扣子转动的情形来看看它到底能转多快。我无法相信自己的眼睛,”Bhamla在发现扣子的转动速度高达每分钟10 000到15 000转后说道。

紧接着,他花了两周的时间来设计第一个“纸板离心器”原型。Bhamla把装有血液的毛细吸管附着在纸盘上,成功地实现了分层。这是典型的结果验证,但在进行下一步设计之前,他和Prakash决定先弄明白转扣子到底是怎么一回事。

 

新“弦”轮

 

Bhamla从麻省理工大学和斯坦福大学招募了三名工程研究生,建立了转扣子数学模型。他们团队利用计算机模拟来获取一些设计参数,比如纸盘尺寸、绳子弹性以及拉伸力等。他们还借用超螺旋DNA的物理方程来解释人工拉伸力如何从缠绕的绳子上转移并转动纸盘。他们发现,超螺旋是这个玩具的秘密。当绳子缠绕到一定程度时,它开始在上方形成另一个螺旋。这种超螺旋结构存储更多的能量,并最终加速纸板,达到更快的转动速度。

 

“奇妙的数学隐藏在这个小装置里面,”Prakash说道。在工程师完成验证装置模型和原型的表现后,他们最终做出了转速达到125000转/分钟的“纸板离心器”,远远优于第一个原型装置的表现。作为对比,StatSpin公司的MP离心机的最大转速是15 8000转/分钟,需要两分钟实现血清分离。

 

“从技术角度上看,我们的设计不亚于价值1000到5000美元的离心机,“Prakash说。与此同时,他们还提高了装置的安全性,并开始着手测试能现场检测寄生虫的离心器。实验室试验表明,可以在15分钟内分离血液红细胞与导致疟疾的寄生虫。

刚从马达加斯加的田野研究回来的Bhamla和Prakash目前正在跟PIVOT和Institut Pasteur合作进行用于疟疾检测的“纸板离心器”的实地验证。

 

低价的价值

 

 “纸板离心器”是Praskash实验室基于廉价科学哲学的第三项发明。廉价科学哲学指导工程师重新思考传统的医学工具,降低成本,把技术能力带到贫穷地区的医疗人员手中。

 

Praskash的梦想是把这些拥有实验室能力的工具放入背包中,服务于世界上许多遥远落后地区。达拉斯德克萨斯大学纳米科技研究所所长Ray Baughman说:“极具创造力的人善于观察生活,并从中汲取灵感。这是个绝佳的例子 。这项技术的应用将给资源匮乏地区的人们带来福音。”

 

“廉价科学是科学工具的民主化运动,应当为全人类共享,”Prakash说。

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这项技术在国外火了一把,能不能引进到国内边远地区呢?

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