Лабораторную центрифугу заменили «вертушкой» из бумаги

Ученые их Стэнфордского университета предложили использовать вместо лабораторной электроцентрифуги самодельное устройство, доступное для изготовления из подручных материалов и работающее по принципу детской «вертушки», также известной как «крутилка» и «жужжалка». Статья опубликована в Nature Biomedical Engineering.

Лабораторные центрифуги используются для отделения материалов, имеющих разную плотность. Центрифуги могут использоваться, например, для отделения крови и плазмы, выявления паразитов в крови или для осаждения ДНК. Несмотря на широкое использование центрифуг в диагностике, такое оборудование может быть использовано далеко не всегда, особенно в экономически слабо развитых странах — во-первых, центрифуга может быть слишком дорогим оборудованием, во-вторых, для ее работы необходимо подключение к электросети, что тоже не всегда возможно. Для того, чтобы решить обе эти проблемы, авторы новой статьи предложили использовать самодельную центрифугу с ручным приводом.

Ученые назвали свое изобретение paperfuge («бумагофуга»). Устройство работает по принципу «крутилки», известной человечеству еще с бронзового века — в отверстия в центре диска продевается веревка, которая закручивается в одну из сторон, после чего достаточно растягивать в стороны и отпускать веревку, чтобы диск вращался на высоких оборотах в разные стороны.

Первый прототип авторы изготовили из двух бумажных дисков, на внутреннюю поверхность одного из которых для удерживания пробирок вклеили кармашки, сделанные из питьевых трубочек и запаянные эпоксидной смолой. На внутреннюю поверхность дисков также нанесли текстильную застежку-«липучку», а снаружи дисков на леску надели акриловые пуговицы, чтобы она при перекручивании не порвала бумагу. Второй прототип по такому же принципу ученые изготовили с помощью 3D-принтера, однако в нем отдельно предусмотрели смотровое окошко, чтобы была возможность поместить материал под микроскоп, не извлекая пробирку из ручной центрифуги.

Для проверки работоспособности «бумагофуги» авторы провели два эксперимента. В первом эксперименте paperfuge использовали для определения гематокрита — бумажная центрифуга отделила форменные элементы крови от плазмы за 90 секунд. Восьмикратная проверка образца показала ошибку в пределах нормы, а исследование отделенной плазмы под микроскопом показало стопроцентную чистоту жидкости. 

Во втором эксперименте ученые использовали кровь с паразитом Plasmodium falciparum, который вызывает малярию. После 15 минут вращения пробирок присутствие паразита удалось определить в верхней (ближней к центру диска) части пробирки методом флуоресцентной микроскопии. Для сравнения ученые также использовали коммерческую центрифугу стоимостью около двух с половиной тысяч долларов, которая разделила кровь за пять минут, и после сравнения результатов авторы пришли к выводу о хорошем количественном согласии.

Согласно расчетам исследователей, при массовом производстве от 10 тысяч экземпляров стоимость одной бумажной центрифуги составит менее 20 центов. При этом в проведенных экспериментах «бумагофуга» развивала до 125000 оборотов в минуту с теоретическим пределом в миллион оборотов, в то время как электрические лабораторные центрифуги начального уровня обычно могут достичь частоты вращения до пяти тысяч оборотов в минуту. Также авторы отмечают, что им на примере двух диагностических процедур удалось доказать, что «бумагофуга» может использоваться как заменитель электрическим центрифугам.

В некоторых случаях ученым удается использовать и другие методы, позволяющие отказаться от лабораторного оборудования. Например, в 2015 году исследователи из Университета Квинсленда разработали экспресс-тест для обнаружения патогенов по ДНК с помощью флокуляции, что позволяет отказаться от амплификатора. Предполагается, что такой тест сможет заменить в полевых условиях сложные лабораторные исследования и обнаружит ДНК почти в любом образце крови, слюны или почвы.

Николай Воронцов