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科學(xué)家研發(fā)紙制離心機(jī) 有望變革發(fā)展醫(yī)療新技術(shù)

[2017/1/12]

陀螺是一種簡單的玩具，甚至幼兒園老師都會做。但是這一古老玩具——一種風(fēng)車樣裝置，其螺旋運(yùn)動(dòng)是由兩股捻弦驅(qū)動(dòng)的——可能很快使發(fā)展中國家的醫(yī)學(xué)發(fā)生改變，因?yàn)獒t(yī)生研發(fā)出一種便宜的新版本，可以像一些商業(yè)離心機(jī)那樣快速分離血液。

“paperfuge”，正如它的名字，僅僅是由紙、線和膠水組成的，它的成本約 20 美分——而傳統(tǒng)的離心機(jī)則需要成百上千。工程師說，如果這種新的裝置，越過監(jiān)管障礙，paperfuge 就可能被證明是一種便攜、廉價(jià)的工具，在資源稀缺的地方用于診斷貧血以及艾滋病和瘧疾等感染。延伸閱讀：基因有限公司自主品牌離心機(jī)全新上市 --GeneSpeed 高品質(zhì)離心機(jī)。



離心機(jī)，是快速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，用于分離不同的血液和其他材料，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的中流砥柱。但由于它們昂貴——一些頂級版本超過 6000 美元，發(fā)展中國家的醫(yī)生并不總是能很容易地獲得這種設(shè)備。即使實(shí)驗(yàn)室有離心機(jī)，他們可能沒有電力來維持其運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們想出了各種各樣的人力驅(qū)動(dòng)方案，包括用打蛋器和沙拉紡紗機(jī)制成的簡單機(jī)器。但這些設(shè)備的速度無法與商業(yè)離心機(jī)比擬，后者每分鐘可自旋 100000 轉(zhuǎn)以上。

所以，由斯坦福大學(xué)生物工程師 Manu Prakash 帶領(lǐng)的一個(gè)研究小組，決定采取一種系統(tǒng)的方法。他們收集了 10 多種旋轉(zhuǎn)的玩具，從溜溜球到陀螺，到手腕回旋儀，他們用高速攝像機(jī)來記錄它們的速度。即使他們雇了馬戲團(tuán)演員幫忙探索這些玩具的全部潛力，也沒有哪種能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。Prakash 說：“我們積聚了一堆旋轉(zhuǎn)玩具！ 他曾因發(fā)明一種廉價(jià)的紙質(zhì)顯微鏡——稱為 Foldscope，而廣受關(guān)注。

但有一種玩具脫穎而出：陀螺，Prakash 童年時(shí)在印度稱之為 “button on a string”。也稱 buzzer、bullroarer 和 zumbado，這種 5000 多年的古老玩具被發(fā)現(xiàn)從中國到以色列，到委內(nèi)瑞拉。但諷刺的是，沒有人知道它是如何工作的，即數(shù)學(xué)或物理原理。Prakash 的團(tuán)隊(duì)開始著手使用計(jì)算模型來改變它。另外，他們發(fā)現(xiàn)，將弦扭曲成緊密聚集的線圈，是儲備能量的關(guān)鍵，可允許它以最小的功率快速旋轉(zhuǎn)。Prakash 說：“弦纏繞和打開的方式，它們利用一種真的很有趣的超螺旋原則。這些超螺旋… 讓它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它的幾何限制！

在大約 6 個(gè)月的過程中，該小組優(yōu)化了這種玩具的旋轉(zhuǎn)速度，創(chuàng)造出了一個(gè)原型，通過來回拉動(dòng)連接到弦的棍子到一個(gè)紙盤上，該紙盤上放置有微小的裝有血液的試管——重復(fù)纏繞和解開弦可旋轉(zhuǎn)血液。用高速攝像機(jī)拍攝這個(gè)過程顯示出來非常的快：每分鐘可達(dá) 125000 轉(zhuǎn)的速度——比許多商業(yè)離心機(jī)還快。類似于高科技離心機(jī)，paperfuge 能夠在不到 1.5 分鐘的時(shí)間內(nèi)從血液樣本中分離血漿，該研究團(tuán)隊(duì)在 1 月 10 日的《Nature Biomedical Engineering》報(bào)道了這一成果。

波士頓大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師 Muhammad Zaman 未參與這項(xiàng)研究，但是他說：“根據(jù)其結(jié)果，這是很樂觀的。我對它印象非常深刻，因?yàn)樗袕?qiáng)大的理論和仿真性強(qiáng)…，也因其廣泛的應(yīng)用前景。” 對該裝置還計(jì)劃做一些小的調(diào)整，該小組預(yù)期，它不僅能運(yùn)行簡單的血漿分離，而且還有更多的應(yīng)用。例如，在一次試點(diǎn)試驗(yàn)中，通過 15 分鐘的旋轉(zhuǎn)，用戶從血液中分離出了瘧疾寄生蟲，用以顯微鏡下檢測，時(shí)間框架可與商業(yè)的離心機(jī)媲美。

不過，Zaman 說，paperfuge 的實(shí)際測試將是在現(xiàn)場。他說，沒有科學(xué)家和醫(yī)務(wù)工作者的持續(xù)投入，監(jiān)管、社會和文化障礙會使新技術(shù)變得無用。Zaman 說：“人們可能不認(rèn)為這個(gè)小的紙制品可以像價(jià)值上千美元的儀器那樣好。這需要對系統(tǒng)的信任！

Prakash 計(jì)劃獲得這種信任。他最近與波士頓一家非營利性醫(yī)療機(jī)構(gòu)（被稱為 Pivot）簽約，在馬達(dá)加斯加農(nóng)村地區(qū)測試 paperfuge，全面試驗(yàn)將于三月開始。Pivot 聯(lián)席首席執(zhí)行官、哈佛大學(xué)的健康經(jīng)濟(jì)學(xué)家 Matthew Bonds 說：“我猜馬達(dá)加斯加 90% 的實(shí)驗(yàn)室沒有一臺可操作的離心機(jī)。如果它起作用了，這可能是一次變革。”