科学家研发纸制离心机 有望变革发展中国家医学

来源:生物通 / 作者:王英 / 2017-01-12
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陀螺是一种简单的玩具,甚至幼儿园老师都会做。但是这一古老玩具——一种风车样装置,其螺旋运动是由两股捻弦驱动的——可能很快使发展中国家的医学发生改变,因为医生研发出一种便宜的新版本,可以像一些商业离心机那样快速分离血液。“paperfuge”,正如它的名字,仅仅是由纸、线和胶水组成的,它的成本约 20 美分——而传统的离心机则需要成百上千。工程师说,如果这种新的装置,越过监管障碍,paperfuge 就可能被证明是一种便携、廉价的工具,在资源稀缺的地方用于诊断贫血以及艾滋病和疟疾等感染。延伸阅读:基因有限公司自主品牌离心机全新上市 --GeneSpeed 高品质离心机。

离心机,是快速旋转的机器,用于分离不同的血液和其他材料,是现代医学实验室的中流砥柱。但由于它们昂贵——一些顶级版本超过 6000 美元,发展中国家的医生并不总是能很容易地获得这种设备。即使实验室有离心机,他们可能没有电力来维持其运行。为了解决这个问题,科学家们想出了各种各样的人力驱动方案,包括用打蛋器和沙拉纺纱机制成的简单机器。但这些设备的速度无法与商业离心机比拟,后者每分钟可自旋 100000 转以上。

所以,由斯坦福大学生物工程师 Manu Prakash 带领的一个研究小组,决定采取一种系统的方法。他们收集了 10 多种旋转的玩具,从溜溜球到陀螺,到手腕回旋仪,他们用高速摄像机来记录它们的速度。即使他们雇了马戏团演员帮忙探索这些玩具的全部潜力,也没有哪种能达到标准。Prakash 说:“我们积聚了一堆旋转玩具。” 他曾因发明一种廉价的纸质显微镜——称为 Foldscope,而广受关注。

但有一种玩具脱颖而出:陀螺,Prakash 童年时在印度称之为 “button on a string”。也称 buzzer、bullroarer 和 zumbado,这种 5000 多年的古老玩具被发现从中国到以色列,到委内瑞拉。但讽刺的是,没有人知道它是如何工作的,即数学或物理原理。Prakash 的团队开始着手使用计算模型来改变它。另外,他们发现,将弦扭曲成紧密聚集的线圈,是储备能量的关键,可允许它以最小的功率快速旋转。Prakash 说:“弦缠绕和打开的方式,它们利用一种真的很有趣的超螺旋原则。这些超螺旋… 让它远远超出了它的几何限制。”

在大约 6 个月的过程中,该小组优化了这种玩具的旋转速度,创造出了一个原型,通过来回拉动连接到弦的棍子到一个纸盘上,该纸盘上放置有微小的装有血液的试管——重复缠绕和解开弦可旋转血液。用高速摄像机拍摄这个过程显示出来非常的快:每分钟可达 125000 转的速度——比许多商业离心机还快。类似于高科技离心机,paperfuge 能够在不到 1.5 分钟的时间内从血液样本中分离血浆,该研究团队在 1 月 10 日的《Nature Biomedical Engineering》报道了这一成果。

波士顿大学的生物医学工程师 Muhammad Zaman 未参与这项研究,但是他说:“根据其结果,这是很乐观的。我对它印象非常深刻,因为它有强大的理论和仿真性强…,也因其广泛的应用前景。” 对该装置还计划做一些小的调整,该小组预期,它不仅能运行简单的血浆分离,而且还有更多的应用。例如,在一次试点试验中,通过 15 分钟的旋转,用户从血液中分离出了疟疾寄生虫,用以显微镜下检测,时间框架可与商业的离心机媲美。

不过,Zaman 说,paperfuge 的实际测试将是在现场。他说,没有科学家和医务工作者的持续投入,监管、社会和文化障碍会使新技术变得无用。Zaman 说:“人们可能不认为这个小的纸制品可以像价值上千美元的仪器那样好。这需要对系统的信任。”

Prakash 计划获得这种信任。他最近与波士顿一家非营利性医疗机构(被称为 Pivot)签约,在马达加斯加农村地区测试 paperfuge,全面试验将于三月开始。Pivot 联席首席执行官、哈佛大学的健康经济学家 Matthew Bonds 说:“我猜马达加斯加 90% 的实验室没有一台可操作的离心机。如果它起作用了,这可能是一次变革。”

论文原文:This 20-cent paper pinwheel could transform medicine in the developing world. DOI: 10.1126/science.aal0596

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