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[科教] “玩具”登上Nature子刊:纸片离心机,只要一块钱

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发表于 1-14-2017 12:34 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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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简易离心机,其转速能达到每分钟125000转,这种巧妙的设计对条件简陋的偏远地区有着非凡的意义。

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转扣子是许多人小时候都玩过的游戏: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。

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机。这种人工离心机仅由纸片、绳子、塑料组成,一美元就能做五个,在一分半钟的时间内将血液根据成分离心分层。这种“纸片离心机”的转速能达到每分钟125000转(30000 g)。“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。

要检测如疟疾、非洲昏睡病、艾滋病和肺结核等疾病,离心机是少不了的。这种低成本的“纸片离心机”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。

2017年1月10号,该设备的物理研究和测试结果发表于《自然-生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)。


最方便的“仪器”

疾病诊断中,离心机用来分离血液中不同的成分,让病原体检测更加容易。普通离心机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机用作门挡,因为当地根本没有电。Prakash 便萌发了制作一种新型离心机的想法。

在此之前,科研人员也曾尝试制造各种廉价的人力驱动离心机。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1200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(该论文第一作者)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10000到15000转后说道。

紧接着,他花了两周的时间来设计第一个“纸片离心机”原型。Bhamla 把装有血液的毛细吸管附着在纸盘上,成功实现了分层。这是典型的结果验证,但在进行下一步设计之前,他和 Prakash 决定先弄明白这个简单的小玩意是如何创造奇迹的。


创造奇迹的纸片

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,并最终加速纸片,达到更快的转动速度。 “这个小装置的背后暗藏奇妙的数学。”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“纸片离心机”,远远优于原型装置的表现。相比之下,StatSpin 公司的 MP 离心机的最大转速是158000转/分钟,两分钟可实现血清分离。 “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。

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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机。实验表明,“纸片离心机”可以在15分钟内分离血液红细胞与导致疟疾的寄生虫。Bhamla 和 Prakash 不久前刚结束马达加斯加的实地实验,目前正与 PIVOT 、Institut Pasteur 及马达加斯加公共卫生人员合作,让用于疟疾检测的“纸片离心机”经受实战检验。

廉价,但意义非凡 “纸片离心机”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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新米人

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发表于 1-14-2017 03:08 AM | 显示全部楼层
感谢安吉拉分享~~~
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