從歷史悠久的拉線玩具中得到靈感,斯坦福的研究人員用紙製造出了成本 20 美分的離心機,想要降低落後地區的醫療成本。

雖然看著像玩具,但它能大大降低落後地區的醫療成本。

這項發明近日於《自然-生物醫學工程》發表。大部分化驗項目檢查的並不是全血,而是血漿或血清。血漿是指去掉血細胞的血液,而血清則是去掉纖維蛋白原的血漿。

這兩種成分無法直接從血液中分離,需要將血液離心獲得。對血清中抗原和抗體的檢查,是診斷乙肝、瘧疾、艾滋病等感染的關鍵步驟。

離心類似洗衣機的甩乾功能,血液各成分比重不同,因而會被離心力分層,得到分離開的血漿或血清。傳統的離心機價格高昂,耗電,對位置和重量的平衡要求嚴格。核心部件轉子一旦損壞,機器就不能使用。根據轉速和做工的不同,價格從幾百到幾萬人民幣不等。

斯坦福的生物工程科學家 Manu Prakash 用價值 20 美分的紙盤、拉繩和手柄,製造出的簡易手動離心機 Paperfuge(紙 paper + 離心機 centrifuge),不需要電力,也不需要昂貴的零件,只需要用手拉伸拉繩,就能以每分鐘數千的轉速將血清分離出來。

Paperfuge 由紙盤、拉繩和手柄組成。紙盤上裝有細小的試管,手柄拉動拉繩纏繞再鬆開,重複收展即可高速旋轉,轉速可達每分鐘 2 萬轉,與傳統離心機轉速相當。

這項技術的靈感源於歷史悠久的 whirligig 遊戲,也就是拉線飛輪。三年前,網友們還在利用這項技術,把雞蛋裝在絲襪里高速旋轉,製作黃金雞蛋。

這不是 Prakash 第一次用紙來做醫療設備。2012 年,他曾製作了名為 Foldscope 的顯微鏡——顧名思義,就是用紙打印並折出來、再加上其它部件,成本不超過 1 美元的顯微鏡,用來觀察致病微生物。在一次參觀中,他發現有一家醫院用壞掉的離心機來擋門,因而決定降低它的成本和維護費用。

Prakash 並不是第一個做出這種嘗試的人。2008 年,哈佛大學 George Whitesides 實驗室用打蛋器達到每分鐘 1200 轉的轉速,2011 年,萊斯大學 Rebecca-Richards Kortum 實驗室用蔬菜甩水器則甩出每分鐘 600 轉。

但這些嘗試的轉速和便攜性都不能達到 Prakash 的要求。他與研究團隊曾試過溜溜球,但轉速最多也只能達到每分鐘 4000 轉。之後,博士後 Saad Bhamla 想到了印度的童年玩具 whirligig。

設計非常簡單,Bhamla 一晚上就做出來一個原型,轉速輕鬆上萬。隨後研究團隊研究了背後的理論模型:他們發現繩子扭轉到一定程度會變形,形成超螺旋,就像電話線那樣,這種超螺旋能儲存更多能量,讓轉速得以提升。

明確理論以後他們開始實踐,調整圓盤的大小與拉繩的長度,嘗試了輕木和亞克力,最後選擇了與 Foldscope 相同的材料:紙。紙面上覆有一層膜,起到防水與加固的作用。

Paperfuge 能在 1.5 分鐘內從血液中分離出血漿,比傳統離心機快 25%. 它的缺陷也顯而易見:離心的血樣量太少,儘管已經足夠做下一步的化驗了,但想多做幾項檢查,就需要多次採血、多次離心。

它將用於提高落後地區的醫療狀況。那裡離心機很少,電力匱乏,血液自然凝固析出血清,不得不經過數小時的等待。

而任何對化驗結果的等待,都令人煎熬。

文章出處/ 好奇心日報
圖片來源/ Manu Prakash

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