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震惊!这是成本仅20美分的高效离心机
发布时间: 2019-04-15 来源:未知 点击次数:

想象一下20美分,也就是不到1.5元,能给实验室买点啥?买几张滤纸?还是买点氯化钠配饱和食盐水?好像啥都干不了!美国斯坦福大学的助理教授Manu Prakash(点击查看介绍)领衔的团队最近在最新面世的Nature子刊——Nature Biomedical Engineering上发表文章表示,如果给他们20美分,他们或许可以给你一个离心机!离心机!离心机!还是一个不需插电、谁都可以操作、转速高达125,000 rpm、离心力达30,000 g的离心机!据称是史上人力产生的最大转速!这个由纸和线构成的离心机,长这样:

图片来源:Science News

 

看起来是不是很眼熟?想起了小时候玩过的玩具?不过,这可真不是玩具,Prakash等人发明的这个小玩意,别看它十分简易,但是它确确实实是一台高效的离心机,可以在不到1.5分钟的时间内将血浆和血细胞分离开。

纸质离心机和血液分离实验。图片来源:Nat. Biomed. Eng.

 

众所周知,血液检测是疾病诊断的基本手段,而使用离心机除去细胞碎片等对诊断疟疾、艾滋病、肺结核等低水平感染疾病的分子检测结果的准确性和可靠性至关重要。离心机在工作过程中可以通过高速旋转产生的离心力让血液中的各成分根据密度分层,其中血细胞在最下层,血浆在上层,而致病细菌、寄生虫等位于中间。但是通常我们使用的离心机都比较昂贵、需要用电、不便携带,对那些欠发达地区的医院和医生们来说,往往没办法使用这些离心机,这给疾病的诊断带来了严重障碍。因此迫切需要廉价、无需用电、高转速的便携式离心机去改善这些地区的疾病诊断状况。尽管此前已经有一些人力离心机,但是转速都不够快,难以进行血浆的快速分离。

 

Prakash教授2008年毕业于MIT,获得应用物理学博士学位,现在的研究方向为物理生物学。他致力于利用物理学理论及实验技术解决细胞及分子水平的生物学问题,同时也一直在积极开发新技术解决偏远贫穷地区的一些重要医疗卫生问题。在发现一些地区没办法使用离心机之后,他将目标瞄准了这个迫切而棘手的问题。

Manu Prakash博士。图片来源:Stanford University

 

为了解决这个问题,Manu Prakash教授可谓是煞费苦心。为了开发出人力离心机,他曾研究了十余种旋转玩具,采用高速照相机去检测它们的旋转速度,结果发现转速都达不到要求。有一天他突然想到了小时候玩过的“转扣子”,由于好奇,他也使用高速照相机记录下了扣子的转动过程,没想到扣子的转速很高,很有可能满足人力离心机的要求。嗯,开挂的实验从此开始!

类似“转扣子”的古代玩具。图片来源:Nat. Biomed. Eng.

 

通过调研,他发现尽管这个古老的玩具拥有5000多年历史,但是却没有人知道它的工作原理,于是他带领他的团队尝试用数学模型去揭示“转扣子”的工作原理。通过模型,他们发现将绳子拧成螺旋状储存能量是转扣子高速转动的关键因素。“在这种情况,绳子在轻微外力的作用下会不断解螺旋再螺旋,其中最重要的就是超螺旋结构。”Prakash博士解释道:“就是这种超螺旋让它的转速远超其几何极限。”随后,他们花了近6个月的时间对这种离心机进行了优化,最终得到转速可达125,000 rpm(离心力达30,000 g)的纸质离心机,其转速甚至超过了不少商用离心机。

绳子的螺旋和超螺旋。图片来源:Nat. Biomed. Eng.

 

另外,这一策略对其他材质也通用,例如木材、塑料等等。通过成熟廉价的技术,可以使用聚合物制造类似的纯人力离心机,一样可以用来分离血液。

塑料制人力离心机,以及微流装置与纸质离心机配合使用。图片来源:Nat. Biomed. Eng.

 

“就结果而言,这个发明相当漂亮。”波士顿大学的生物医学工程师Muhammad Zaman对这项研究赞誉有加,“这项研究给我的印象非常深刻,不仅因为它的理论及模拟十分严谨,而且还因为它具有非常广阔的应用前景。”但是他认为人们可能不一定信任这种新技术,尽管已经证明这一设备可以帮助从血样中镜检疟原虫,“人们也许会认为这种纸做的离心机不可靠,比不上那些花费上千美元的高级离心机。”

 

而Prakash博士正在为消除人们的疑虑而努力,他已于近期与一个叫做Pivot的非盈利健康服务机构签署协议,将于3月开始在马达加斯加岛的一个乡村进行临床试验。“我猜马达加斯加90%的实验室都没有可用的离心机,”Pivot的联席CEO兼哈佛大学健康经济学家Matthew Bonds说道,“如果真的有效,它将带来革命。”

 


视频来源:Science News

 

—— 总结 ——

 

 

这项来源于生活最终将回归到生活的发明,或许将带来大变革,在欠发达地区取代电驱动离心机,为疾病诊断带来极大的方便,为这些无法享受当代科学技术的人们带去机会和希望!

 

笔者此前从未想到还有不需要电的离心机!但是当看到这个发明之时,不得不惊叹于作者的脑洞!或许我们并不是缺少创造力,而是缺少启发创造力所需的眼睛!创新往往来自于生活、大自然,不要放弃身边的一草一木,兴许一篇Nature子刊就藏在你的书桌旁!赶紧想想童年还有啥玩具可能用到科研上?
 

部分编译自:

http://www.sciencemag.org/news/2017/01/20-cent-paper-pinwheel-could-transform-medicine-developing-world

 

Manu Prakash教授主页:

 

https://profiles.stanford.edu/manu-prakash