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成本仅需20美分的手动离心机,会成功吗?

2017/02/04 来源:Nature自然科研
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导读
斯坦福大学研究人员发明一种手动离心机,这种手动离心机能处理血液样本,分离出疟原虫等病原体。研究结果发表在1月10日的《自然-生物医学工程》上。

原文以Spinning toy reinvented as low-tech centrifuge为标题

发布在2017年1月10日的《自然》新闻上

原文作者:Devin Powell

这种手动离心机能处理血液样本,分离出疟原虫等病原体。

Manu Prakash在印度长大,小时候,他会把两股绳连在瓶盖上,拉动绳子转着玩。现在,作为斯坦福大学的一位物理生物学家,他将这种简单的拉绳玩具变成了有助于诊断疟疾等疾病的廉价工具。

2013年,Prakash去乌干达研究考察,随后开始进行这项研究。研究结果发表在1月10日的《自然-生物医学工程》上。在探访当地的健康服务诊所时,他发现大多数地方都缺少能用的离心机,或者没有离心机工作所需的电力,因此无法分离血液样本,以进行基本的疾病诊断。

“有一家诊所把坏掉的离心机当门挡用,”Prakash说。他还获得过2016年的麦克阿瑟天才奖,是折纸显微镜的发明者。“从非洲回来后,我们开始问自己,‘我们能发明出一种只依靠人力,不需要用电的离心机吗?’”

此前,其他研究者曾经用shuca甩水器和打蛋器制成过低科技含量的廉价离心机。但是,Prakash说,这些设备只能达到每分钟1200转左右的转速,而且处理样本的时间太长了。他的团队希望能更胜一筹,因此,他们在一家玩具店购买了大量的旋转玩具,并用高速摄影机拍下了它们的旋转过程。溜溜球转得太慢了(而且需要训练才能操作),但拉绳玩具不但操作简便,还能达到每分钟10000转左右的转速,与商用离心机相当。


正在运转的一个纸离心机,能够从血液样品中分离如疟原虫。Stanford News/Kurt Hickman

研究者对拉绳玩具的表现感到十分欣喜,开始探索背后的数学原理,希望能进一步做出改进。录像显示,拉绳玩具的线绳不仅会在拉放时缠绕在一起,而且还会形成类似DNA的螺旋结构。通过解出描述螺旋背后作用力的公式,他们得到了拉绳玩具的理想参数,包括圆盘的大小和线绳的粗细等等,其转速可达每分钟100万转。

人手的拉放速度并不能让它达到这个理论上限,但Prakash实验室研制出的一种新设计能达到每分钟12.5万转的转速。去年,他们为此申请了转速最快的人力设备的吉尼斯世界纪录。

“这项研究的特别之处在于,它发现了一个简单的小玩具极为实用的用途,而且这种用途就藏在我们眼皮底下,”英国剑桥大学的应用数学家时枝正说。

Prakash和他的团队把装有血液样本的塑料管贴在了经过优化的拉绳玩具上,他们的最终成品(被取名为纸质离心机)的转速能达到每分钟20000转,能在一分半钟内分离血浆,15分钟内分离出疟原虫。

无论是在健康服务机构还是野外,工作人员是否会愿意花上这么长的时间来操作纸质离心机还是个未知数。Prakash已经与波士顿的一个非营利医疗卫生组织PIVOT合作,在马达加斯加开展临床试验,这项试验不仅会评估纸质离心机的易用程度,还会将它的可靠性和耐久性与商用离心机相比较。


Nature Video

“我们还不知道纸质离心机能不能成功,”PIVOT的联合创始人、哈佛大学的经济学家Matt Bonds说。“要说服人们放弃现代离心机还需要很多证据,但拥有纸质离心机这个替代选项可以创造出许多全新的可能性。”

Nature|doi:10.1038/nature.2017.21273

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