Tým biofyziků a bioinženýrů ze Stanford University vyrobil papírovou, ručně poháněnou odstředivku. Jednoduché zařízení dokáže vyvinout odstředivé zrychlení až 30 000 g a za méně než dvě minuty oddělit krevní plazmu od červených krvinek.
Vědci doufají, že by jejich vynález mohl napomoci diagnostice různých onemocnění v místech, kde není dostupné standardní medicínské vybavení. „Paperfuga“, jak zařízení říkají, je inspirovaná dětskými hračkami a její výrobní cena není ani jeden dolar.
Laboratorní odstředivky otáčejí trubicemi naplněnými biologickými kapalinami, jako je krev nebo moč, extrémně vysokou rychlostí. Díky rychlému otáčení se jednotlivé složky kapalin separují nebo dojde ke koncentraci parazitů či patogenů, které je pak možné dále analyzovat.
Komerční odstředivky jsou nezbytným pomocníkem pro diagnózu řady nemocí, jejich pořizovací cena je však velmi vysoká. Zařízení je navíc těžké a vyžaduje elektrický proud, takže v odlehlých oblastech rozvojového světa je prakticky nepoužitelné. Právě tam jsou však odstředivky potřebné, jelikož mohou pomoci diagnostikovat původce epidemií, jako je třeba malárie. Tato nesnáz se dosud obcházela výrobou odstředivek z věcí, které se nacházejí běžně v domácnostech, jako jsou míchače salátů nebo metly na šlehání vajíček. Odstředivé síly, generované takovými náhražkami, však byly v porovnání s laboratorními odstředivkami velmi malé.
Fyzici ze Stanfordu se pokusili tento problém velmi jednoduše vyřešit a z jejich práce se stal fyzikální hit. Inspiraci našli – a vůbec se za to nestydí – v dětských točivých hračkách, jako je jojo, káča nebo knoflík na niti. Jojo tvoří dva stejně velké a stejně těžké disky ze dřeva, plastu nebo z kovu. Jsou spojeny osou, kolem které je omotán provázek. Hráč pustí jojo volně z ruky, provázek se začne odvíjet a jojo při pádu začne rychle rotovat kolem své osy. Gyroskopický efekt jojo stabilizuje, a jakmile se celý provázek odmotá, začne se setrvačností ihned navíjet zpět. Při jemném pohybu ruky nahoru a dolů se pohyb hračky neustále opakuje. Jojo lze vypouštět i vodorovně nebo jiným směrem. Fyzici zjistili, že hračky rotují rychlostí až 15 000 rpm (otáčky za minutu).
Vědci vyzkoušeli i „knoflík na niti“. Hráč rytmicky tahá za oba konce smyčky z provázku, která prochází dvěma otvory ve středu kotouče (knoflíku). Při navinování a rozvinování provázku se kotouč otáčí překvapivě velkou rychlostí. Různé variace této jednoduché hračky se našly v archeologických lokalitách po celém světě, některé pocházejí až z doby bronzové, to znamená z období 3 300 let př. n. l.
Přestože se tato hračka objevuje v mnoha různých podobách překvapivě často, nikdo zatím nestudoval fyzikální zákony, kterými se její pohyb řídí. Vědci ze Stanfordu proto vytvořili teoretický model pohybu takového objektu, takže mohli sledovat klíčové parametry, jako je poloměr provázku a jeho délka, poloměr kotouče a poloha obou děr, kterými provázek prochází. Navíc byli schopni optimalizovat rotační rychlost a velikost odstředivé síly.
Výsledkem je sestava dvou kotoučů o průměru 10 cm, které jsou vyrobeny z tuhého voděodolného papíru. Každý kotouč má uprostřed dvě díry s průměrem 3 mm, jež jsou od sebe vzdálené 2,5 mm. Provázek je protažen otvory a oba konce jsou opatřeny dřevěnými držadly. Na jeden z disků jsou přilepeny dva kousky brčka na pití, každé je na jednom konci utěsněno, aby mohlo držet malou trubičku s biologickým vzorkem. Nakonec jsou oba kotouče spojeny suchým zipem.
Vysokorychlostní kamera ukazuje, že taková ručně poháněná odstředivka může dosáhnout rotační rychlosti 125 000 otáček za minutu a vyvinout odstředivou sílu 30 000 g. To je víc, než dokáží mnohé komerční odstředivky, i když cena takového zařízení je necelý dolar.
Při zkušebních testech dokázala stanfordská „paperfuga“ oddělit krevní plazmu za 1,5 minuty. Běžné odstředivce za 7 000 dolarů stejná úloha zabere dvě minuty. Nové zařízení také zvládne během 15 minut oddělit z 30 mikrolitrů krve parazity způsobující malárii, což je opět výsledek srovnatelný s profesionálním zařízením.
Pokud by se mělo zařízení používat ve skutečném provozu, čeká na vědce ještě řada nevyřešených otázek. Jednou z nejdůležitějších je začlenění odstředivky do složitějšího systému obsahujícího i bezpečnou manipulaci s biologickými vzorky. Fyzici ze Stanfordu jsou odhodláni tento problém vyřešit a dotáhnout vývoj papírové odstředivky do konce, to znamená do stadia jejího skutečného praktického využívání v polních podmínkách různých rozvojových zemí.
Práce byla publikována v Nature Biomedical Engineering.
Mohlo by vás zajímat:
První
grafenový reproduktor
Fyzikální
„Top Ten“ za rok 2016: Část II
Fyzikální
„Top Ten“ za rok 2016: Část I
Barvy
inspirované přírodou