Учёные Стэнфордского университета (Stanford University) превратили детскую игрушку-жужжалку в центрифугу, которую можно использовать в лаборатории при проведении анализов крови. Это устройство не нуждается в электричестве, стоит всего 20 центов и может заменить дорогое оборудование в беднейших африканских странах. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.
Ману Пракаш (Manu Prakash) родился в Индии. В детстве он любил играть с жужжалкой — простым устройством, которое можно смастерить из обыкновенной нитки и пуговицы. Если протянуть нить таким образом, чтобы образовались петли, взяться за них и накрутить узел, а затем развести руки, игрушка начнёт раскручиваться, издавая характерный звук. Вряд ли он тогда мог предположить, что однажды напишет в научном журнале статью о том, как использовать жужжалку в лаборатории.
Пракаш занялся этим проектом после того, как в 2013 году съездил в научную командировку в Уганду. Посещая больницы, он заметил, что в большинстве из них не было работающих центрифуг или электричества, а потому врачи не могли разделить кровь на компоненты и сделать даже самые простые анализы. «В одной клинике сломанной центрифугой подпирали дверь, — рассказывает Пракаш. — Когда мы вернулись из Африки, мы спросили себя: можно ли провести центрифугирование без электричества, на человеческой тяге?»
Другие учёные уже задавались тем же самым вопросом. Они разрабатывали недорогие центрифуги на основе устройств для сушки салата и машинок для сбивания яиц, но эти девайсы разгонялись только до 1200 оборотов в минуту и обрабатывали пробы слишком долго. Пракаш и его коллеги подошли к вопросу очень серьёзно и организованно: они отправились в магазин, купили десяток вращающихся игрушек самых разных форм и размеров — от йо-йо до кистевых эспандеров — и отсняли их с помощью высокоскоростной камеры, чтобы выяснить, кто на свете всех быстрее. Йо-йо оказались слишком неторопливыми, а вот жужжалка вращалась со скоростью до 10 000 об/мин, что сопоставимо с показателями настоящей центрифуги.
Учёные изучили механику движения игрушки и описали её математически. Оказалось, что высокой скорости вращения удаётся достичь, главным образом, за счёт скручивания верёвочек в плотные спирали. «Скручиваясь и раскручиваясь, эти нити демонстрируют интересный принцип сверхспирализации», — объясняет Пракаш. Разобравшись в механизме работы «жужжалки», учёные смогли увеличить скорость вращения диска до 125 000 об/мин. Затем они сконструировали устройство под названием «paperfuge» (буквально — «бумагофуга»), состоящее из двух картонных дисков, лески, запечатанных с одной стороны соломинок для питья и деревянных ручек. Принцип работы очень прост: в соломинки-держатели на одном из дисков вставляют пробирки с кровью, прикрывают другим диском, защёлкивают кнопки и приводят приборчик в движение. В ходе экспериментов учёным удалось выделить плазму крови менее чем за полторы минуты, а на то, чтобы изолировать из образцов малярийных паразитов ушло 15 минут. Нагруженное пробами устройство развивало скорость до 20 000 об/мин.
«Это многообещающие результаты, — говорит Мухаммед Заман (Muhammad Zaman), инженер-биомедик Бостонского Университета (Boston University), не принимавший участия в исследовании. — Они очень впечатлили меня, потому что основываются на сильной теории и симуляции… а кроме того, имеют широкое применение». Заман отмечает, что теперь бумажную центрифугу предстоит проверить в полевых условиях. Пракаш сотрудничает с некоммерческой организацией PIVOT Works, Inc., которая оказывает квалифицированную медицинскую помощь жителям Мадагаскара. Вместе они проведут клинические исследования и выяснят, насколько приборы просты в обращении, долговечны и надёжны по сравнению с обычными центрифугами. Цена медицинских девайсов порой доходит до 6000 долларов, а бумажная «игрушка» стоит всего 20 центов (около 12 рублей), так что можно надеяться, что бедные страны всё-таки заинтересуются разработкой.
