Forscher der Stanford University haben eine handgesponnene Zentrifuge entwickelt, die hauptsächlich aus Papier besteht. Die Zentrifuge ist extrem leicht und kostet nur 20 Cent. Das einfache Gerät, inspiriert von einem alten Kinderspielzeug, heißt „Paperfuge“. Diese kostengünstige und stromlose Zentrifuge kann Malaria im Blut in nur 15 Minuten erkennen.
Wie funktioniert eine Zentrifuge?
Eine Zentrifuge ist ein Gerät, das in Kliniken, Krankenhäusern und Labors auf der ganzen Welt verwendet wird. Estrennt Flüssigkeiten, wie z. B. Blut, in verschiedene Komponenten durch Drehen der Probe. Durch die Wirkung der Hochgeschwindigkeitsschleudern drücken Zentrifugalkräfte dichteres Material nach außen. Die Zentrifuge wird verwendet, um Zellen, subzelluläre Organellen, Proteine, Viren und Nukleinsäuren zu trennenSäuren.
Zentrifugen sind in armen Regionen, in denen Tropenkrankheiten weit verbreitet sind, von entscheidender Bedeutung. Sie sind jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten, ihres Gewichts und ihres hohen Strombedarfs nicht immer verfügbar. Dies macht es für Point-of-Care-Praktiker schwierig, ihren Patienten zu helfen.
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Manu Prakash von der Stanford University entwickelt eine handgesponnene Papierzentrifuge. Die ursprünglichen Konstruktionen bestanden aus Salatschleudern und manuellen Schneebesen, aber beide waren nicht in der Lage, die erforderlichen Geschwindigkeiten zu erreichen. Die endgültige Konstruktion, veröffentlicht in Nature Biomedical Engineering, basiert auf einem Summer-Spielzeug Whirligig aus dem Jahr 3.300 v. Chr. Etwas unterschiedliche Geräte wurden in den kolonialen USA, im indigenen Nordamerika, im mittelalterlichen Europa und im alten China verwendet.
Ein Kinderspielzeug inspiriert ein revolutionäres Gerät
Die Paperfuge ist betrieben durch Ziehen an einer Schnur, die durch die Mitte geht und offensichtlich die Kreisscheibe dreht. Sie arbeitet nach dem Prinzip des „nichtlinearen Oszillators“. Die zentrale Scheibe dreht sich, wenn eine Kraft auf den Griff ausgeübt wird, wodurch sich die Saiten abwickelnWenn die Saite vollständig abgewickelt ist, beginnt sie sich zurückzuspulen und bildet so eine Supercoiled-Struktur.
Wie effektiv ist Paperfuge?
Die Paperfuge kann Schleudergeschwindigkeiten von erreichen125.000 Umdrehungen pro Minute RPM. Es übt Zentrifugalkräfte aus, die 30.000 g entsprechen. Darüber hinaus gilt seine Geschwindigkeit als die schnellste Drehzahl, die in einem von Menschen betriebenen Gerät aufgezeichnet wurde.
Die Leistungsfähigkeit des Geräts wurde an Blut getestet, das bei der Suche nach Krankheiten in seine verschiedenen Komponenten getrennt werden muss. Die Paperfuge konnte Blut bei ungefähr zentrifugieren.20.000 U/min; eine ähnliche Geschwindigkeit wie herkömmliche Tischzentrifugen. Sie konnte in weniger als 90 Sekunden reines Plasma aus Blut trennen. Aber was noch wichtiger ist, es gelang, den Malariaparasiten innerhalb von etwa 15 Minuten im Blut zu isolieren.
Die Materialien der Paperfuge können variieren. Die Forscher konnten konstruieren das Gerät aus Papier, Holz und Angeldraht. Eine andere Version wurde aus Polydimethylsiloxan ein übliches organisches Polymer auf Siliziumbasis, Kunststoff und 3D-gedruckten Materialien hergestellt. Dadurch kann das Gerät in großen Mengen hergestellt werden.
"Die Einfachheit der Herstellung unseres vorgeschlagenen Geräts wird eine sofortige Massenverteilung einer dringend im Feld benötigten Lösung ermöglichen", die Autoren abgeschlossen in ihrer Studie. „Letztendlich dient unsere vorliegende Arbeit als Beispiel für sparsame Wissenschaft: die Nutzung der komplexen Physik eines einfachen Spielzeugs für globale Gesundheitsanwendungen.“
Die Paperfuge war versucht in Madagaskar, wo der Feldtest durchgeführt wurde, um die Benutzerfreundlichkeit des Geräts zu bestimmen. Der Test bewies, dass die Paperfuge von praktisch jedem verwendet werden kann und löst damit das Zentrifugenproblem in ländlichen Gebieten.
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Geschrieben von Terry Berman