科學家研發紙制離心機有望變革發展醫療新技術

[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——一種風車樣裝置，其螺旋運動是由兩股捻弦驅動的——可能很快使發展中國家的醫學發生改變，因為醫生研發出一種便宜的新版本，可以像一些商業離心機那樣快速分離血液。

“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——而傳統的離心機則需要成百上千。工程師說，如果這種新的裝置，越過監管障礙，paperfuge 就可能被證明是一種便攜、廉價的工具，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全新上市 --GeneSpeed 高品質離心機。

離心機，是快速旋轉的機器，用于分離不同的血液和其他材料，是現代醫學實驗室的中流砥柱。但由于它們昂貴——一些頂級版本超過 6000 美元，發展中國家的醫生并不總是能很容易地獲得這種設備。即使實驗室有離心機，他們可能沒有電力來維持其運行。為了解決這個問題，科學家們想出了各種各樣的人力驅動方案，包括用打蛋器和沙拉紡紗機制成的簡單機器。但這些設備的速度無法與商業離心機比擬，后者每分鐘可自旋 100000 轉以上。

所以，由斯坦福大學生物工程師 Manu Prakash 帶領的一個研究小組，決定采取一種系統的方法。他們收集了 10 多種旋轉的玩具，從溜溜球到陀螺，到手腕回旋儀，他們用高速攝像機來記錄它們的速度。即使他們雇了馬戲團演員幫忙探索這些玩具的全部潛力，也沒有哪種能達到標準。Prakash 說：“我們積聚了一堆旋轉玩具。” 他曾因發明一種廉價的紙質顯微鏡——稱為 Foldscope，而廣受關注。

但有一種玩具脫穎而出：陀螺，Prakash 童年時在印度稱之為 “button on a string”。也稱 buzzer、bullroarer 和 zumbado，這種 5000 多年的古老玩具被發現從中國到以色列，到委內瑞拉。但諷刺的是，沒有人知道它是如何工作的，即數學或物理原理。Prakash 的團隊開始著手使用計算模型來改變它。另外，他們發現，將弦扭曲成緊密聚集的線圈，是儲備能量的關鍵，可允許它以最小的功率快速旋轉。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… 讓它遠遠超出了它的幾何限制。”

在大約 6 個月的過程中，該小組優化了這種玩具的旋轉速度，創造出了一個原型，通過來回拉動連接到弦的棍子到一個紙盤上，該紙盤上放置有微小的裝有血液的試管——重復纏繞和解開弦可旋轉血液。用高速攝像機拍攝這個過程顯示出來非常的快：每分鐘可達 125000 轉的速度——比許多商業離心機還快。類似于高科技離心機，paperfuge 能夠在不到 1.5 分鐘的時間內從血液樣本中分離血漿，該研究團隊在 1 月 10 日的《Nature Biomedical Engineering》報道了這一成果。

波士頓大學的生物醫學工程師 Muhammad Zaman 未參與這項研究，但是他說：“根據其結果，這是很樂觀的。我對它印象非常深刻，因為它有強大的理論和仿真性強…，也因其廣泛的應用前景。” 對該裝置還計劃做一些小的調整，該小組預期，它不僅能運行簡單的血漿分離，而且還有更多的應用。例如，在一次試點試驗中，通過 15 分鐘的旋轉，用戶從血液中分離出了瘧疾寄生蟲，用以顯微鏡下檢測，時間框架可與商業的離心機媲美。

不過，Zaman 說，paperfuge 的實際測試將是在現場。他說，沒有科學家和醫務工作者的持續投入，監管、社會和文化障礙會使新技術變得無用。Zaman 說：“人們可能不認為這個小的紙制品可以像價值上千美元的儀器那樣好。這需要對系統的信任。”

Prakash 計劃獲得這種信任。他最近與波士頓一家非營利性醫療機構（被稱為 Pivot）簽約，在馬達加斯加農村地區測試 paperfuge，全面試驗將于三月開始。Pivot 聯席首席執行官、哈佛大學的健康經濟學家 Matthew Bonds 說：“我猜馬達加斯加 90% 的實驗室沒有一臺可操作的離心機。如果它起作用了，這可能是一次變革。”

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