速读 医学

小玩具也能改善医疗,只要不到两块钱!

离心机 手动离心

Paradoxian 发表于  2017-01-13 19:23

你小时候有玩过这种小玩具吗?一根线,两只手,就可以让纽扣神奇地旋转起来:

在你们的家乡,这种小玩具叫什么名字?图片来源:Stanford

在马达加斯加,一群斯坦福大学研究者和当地的医务人员也“玩”起了类似的东西。不过,这并不是对童年回忆的复刻——这种玩具似的小装置,其实是斯坦福大学生物工程教授马努·普拉卡什(Manu Prakash)团队开发的离心机替代装置。

这些研究者并不是在玩耍。利用这样的拽拉动作,纸片中装有血液样本的毛细管能够获得被离心机离心的效果。图片来源:Stanford

随着现代医学和分子生物学的发展,离心机已经走进了几乎每一个生物学实验室和医院化验科。它在运作时利用高速旋转使离心样品中密度不同的组分以不同的速度运动开去,从而实现组分的彼此分离。从纯化实验、层析实验到沉降血液样本,大量的实验都用得到离心机。在许多化验项目中,血液样本的离心分层是第一步。没了离心机,连测个血常规都寸步难行。

实验室中的离心机可能是生物医学研究者使用得最频繁的实验设备之一。图片来源:Stanford

然而,这种常用设备却并不便宜。尽管许多科研机构的实验设备都日趋高大上,但很多欠发达地区仍没有条件给当地的医疗力量配备足够的离心机——或者使离心机运作的电力——来为当地居民提供基础医疗诊断服务。而这些地区又往往是传染病容易滋生的地区, 对相关检验的需求有时更甚。怎么帮助这些地区?研究者决定开发一种实用、廉价又不费电的离心设备。

利用与旋转纽扣玩具相同的原理,普拉卡什团队开发了一套简易的手动离心装置。图片来源:Manu Prakash et al.

借助两股绳子扭转拉伸的巧力,这个只需要两股绳、两片纸和两根木手柄的装置能够发挥离心机的功能。研究者分析了这款玩具的力学过程,研究如何让中间的纸片获得最高的旋转速度。最终,他们开发出了一套简易、低成本的手动离心装置。解析这套装置的论文[1]本周发表在《自然·生物医学工程》期刊上。这小小的“纸片离心机”,也许能大大地改善全球贫困地区的疾病诊疗现状。

在对这个体系进行了严肃的物理建模分析和数据采集后,他们发现这套装置的转速可以达到每分钟125000转——每秒超过2000圈。如果中间纸片的半径为5毫米,最大转速时产生的“离心力”(注:离心力是一种惯性力)将近30000g

半径50毫米的“纸质离心机”在不同时间的旋转速度变化。Pull force表示操作者施加拉力的时刻。图片来源:Manu Prakash et al.

在实践中,这套“纸质离心机”也表现出的实用性也毫不逊色。在纸片中对称插入装有血样的毛细管,手动离心1.5分钟,便可以分离毛细管中的血浆和血细胞。若毛细管中是疑似疟疾病人的全血,这套装置则只需15分钟便可分离出含有疟原虫的血细胞。

用纸离心装置分离毛细管中的全血。毛细管内涂有能让疟原虫着色的染料,用于指尖取血。塑料浮子的比重在血浆和血细胞之间,便于扩大不同细胞层的高度。在离心15分钟后血液清晰分层,并能在相应层中观察到疟原虫。原图来源:参考文献[1]

“纸质离心机”的不足之处是显而易见的,但作为离心机的廉价替代品,它的开发依然很有意义。在经过各方面优化后,这套手动离心装备的制作成本只有20美分,也即不到1.5元人民币。研究人员在马达加斯加进行的测试也表明,这种装备的使用方法十分易于掌握。希望它能帮助更多偏远贫困地区的人们享受到基础而必不可少的医疗服务。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. M. Saad Bhamla, et al. Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nature Biomedical Engineering 1, Article number: 0009 (2017) doi:10.1038/s41551-016-0009

文章题图:Manu Prakash et al./ Stanford

更正说明:本文原文中“如果中间纸片的半径为50毫米”一处有误,应为“如果中间纸片的半径为5毫米”,现已更正。感谢网友@国产零零七 指出。

热门评论

  • 2017-01-13 19:37 北海牧羊

    图2的三个人玩得好high啊,戴的护目镜是怎么回事,怕崩一脸血?

    [16] 评论
  • 2017-01-13 19:48 国产零零七

    貌似绳子需要很结实才行。

    ————

    在对这个体系进行了严肃的物理建模分析和数据采集后,他们发现这套装置的转速可以达到每分钟125000转——每秒超过2000圈。如果中间纸片的半径为50毫米,最大转速时产生的“离心力”(注:离心力是一种惯性力)将近30000g,完全足够进行生物样本的处理。

    [12] 评论
  • 2017-01-13 20:22 安然_莲自在 果壳视频“科学棒棒棒”卡片娘

    有点感动是怎么回事……

    [12] 评论

显示所有评论

全部评论(43)
  • 1楼
    2017-01-13 19:37 北海牧羊

    图2的三个人玩得好high啊,戴的护目镜是怎么回事,怕崩一脸血?

    [16] 评论
  • 2楼
    2017-01-13 19:48 国产零零七

    貌似绳子需要很结实才行。

    ————

    在对这个体系进行了严肃的物理建模分析和数据采集后,他们发现这套装置的转速可以达到每分钟125000转——每秒超过2000圈。如果中间纸片的半径为50毫米,最大转速时产生的“离心力”(注:离心力是一种惯性力)将近30000g,完全足够进行生物样本的处理。

    [12] 评论
  • 3楼
    2017-01-13 20:22 安然_莲自在 果壳视频“科学棒棒棒”卡片娘

    有点感动是怎么回事……

    [12] 评论
  • 4楼
    2017-01-13 20:29 we_cry 空间信息与数字技术专业

    我原来还使用纽扣自己做过


    来自 果壳的壳
    [0] 评论
  • 5楼
    2017-01-13 20:30 we_cry 空间信息与数字技术专业

    嗯,野生的生物实验室系列增添新成员。


    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 6楼
    2017-01-13 20:36 we_cry 空间信息与数字技术专业
    引用@北海牧羊 的话:图2的三个人玩得好high啊,戴的护目镜是怎么回事,怕崩一脸血?

    如果血液有传染性疾病的病原体,如 Ebola 病毒的话,不慎泄漏不是闹着玩的…


    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 7楼
    2017-01-14 01:15 1995小猪快跑

    好赞呐

    [0] 评论
  • 8楼
    2017-01-14 02:27 z1w1j
    引用@北海牧羊 的话:图2的三个人玩得好high啊,戴的护目镜是怎么回事,怕崩一脸...

    而且其实g值很大的,如果固定不牢很容易飞出去

    [1] 评论
  • 9楼
    2017-01-14 07:20 梦里行

    这个转速,有点难以置信啊!是不是搞错单位了。

    [3] 评论
  • 10楼
    2017-01-14 11:42 馒头老妖 有机化学博士,法学学士
    引用@梦里行 的话:这个转速,有点难以置信啊!是不是搞错单位了。

    同怀疑,125k rad/min ,哪怕是电动机也算高的了。

    [2] 评论
  • 11楼
    2017-01-14 12:04 LonerNerd

    最大的问题应该是转速不能稳定吧,过度离心溶血什么的

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-01-14 13:36 我开心vacation

    666


    [0] 评论
  • 13楼
    2017-01-14 14:18 言十辰知

    6666

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-01-14 15:22 天降龙虾

    赶明儿谁做个简易的陀螺仪。。。

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-01-14 16:01 未风
    引用文章内容:若毛细管中是疑似疟疾病人的全血,这套装置则只需15分钟便可分离出含有疟原虫的血细胞。


    我勒个擦 扯这玩意扯个15分钟 手指头都要累断了吧

    [1] 评论
  • 16楼
    2017-01-14 17:59 R.H.Felidae_Athena
    引用文章内容:离心力是一种惯性力

    我好像学了假书

    [3] 评论
  • 17楼
    2017-01-14 20:45 雷穆斯

    如果打上马赛克,是什么画风?

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-01-14 23:06 梁兵兵

    别被骗了,玩过这玩意的小伙伴应该知道,空载和负载差别是惊人的。还不如拿辆自行车改造下用脚蹬靠谱些。

    [1] 评论
  • 19楼
    2017-01-14 23:47 Calo 果壳科技编辑
    引用@国产零零七 的话:貌似绳子需要很结实才行。————在对这个体系进行了严肃的物理建模分析和数据采集后,他们发现这套装置的转速可以达到每分钟125000转——每秒超过2000圈。如果中间纸片的半径为50毫米,最大转速时产生...
    引用@梦里行 的话:这个转速,有点难以置信啊!是不是搞错单位了。
    引用@馒头老妖 的话:同怀疑,125k rad/min ,哪怕是电动机也算高的了。

    对不起,这里出现了一个严重的错误。这套装置的转速可以达到每分钟125000转,相应的“离心力”达到30000g是没有错的,但是达到这一速度时使用的纸片半径为5毫米而非50毫米。感谢提醒,发布时没有发现原文的问题,深感抱歉。

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-01-14 23:58 馒头老妖 有机化学博士,法学学士
    引用@Calo 的话:对不起,这里出现了一个严重的错误。这套装置的转速可以达到每分钟125000转,相应的“离心力”达到30000g是没有错的,但是达到这一速度时使用的纸片半径为5毫米而非50毫米。感谢提醒,发布时没有发现...

    那转速确实是很高了。

    [0] 评论
  • 21楼
    2017-01-15 00:18 Calo 果壳科技编辑
    引用@馒头老妖 的话:那转速确实是很高了。

    嗯125000那个应该是当前人力设备能制造的最高转速,斯坦福的人已经去申请吉尼斯世界纪录了。。

    [1] 评论
  • 22楼
    2017-01-15 00:19 干嘛在乎别人怎么想

    太赞了

    [0] 评论
  • 23楼
    2017-01-15 04:54 路小艾

    赞!感动!

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-01-15 09:32 孤胆侠猫

    两块钱~~你买不了吃亏,买不了上当~~~擦!绳子怎么断了!我的手!!谁有创可贴!!!??

    [0] 评论
  • 25楼
    2017-01-15 15:58 若雨_27674

    6666

    [0] 评论
  • 26楼
    2017-01-16 09:52 harmless
    引用@Calo 的话:对不起,这里出现了一个严重的错误。这套装置的转速可以达到每分钟125000转,相应的“离心力”达到30000g是没有错的,但是达到这一速度时使用的纸片半径为5毫米而非50毫米。感谢提醒,发布时没有发现...
    从图片上看,纸片半径就是50mm,估计是其他数值错了,譬如“每分钟125000转”?5mm直径根本不可能绑上那只毛细管。


    [0] 评论
  • 27楼
    2017-01-16 10:15 狼嚎谷阿飞

    厉害,佩服!!!

    [0] 评论
  • 28楼
    2017-01-16 10:18 大头米少

    小时候常玩的小玩意儿,不过不是用钮扣,而是边缘锋利的铁片儿,两相PK看谁的绳子先断,High的是暴力

    [0] 评论
  • 29楼
    2017-01-16 10:22 疯疯兄

    我们这叫扯转,小时候经常玩也会做。现在竟然忘记了。。。。

    [0] 评论
  • 30楼
    2017-01-16 10:56 Zoymin

    所以说淘宝走向全球还是大众受益,毕竟2元的万转电机不少

    [0] 评论

显示所有评论

你的评论

登录 发表评论

作者的其他文章

更多科研事,扫码早知道

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©2017果壳网    京ICP证100430号    京网文[2015] 0609-239号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:13488674940