В 2013 году биофизик Ману Пракаш посетил больницу в Уганде и обратил внимание на небольшой аппарат, подпиравший дверь, чтоб та не закрывалась. Это была лабораторная центрифуга — устройство, с помощью центробежной силы разделяющее вещества в помещенных в нее пробирках на фракции в зависимости от удельного веса.
В частности, центрифуги используются для отделения сыворотки крови от остальных ее элементов. Это необходимо для дальнейших анализов крови на наличие антител к различным инфекциям или аллергенам, определения уровней некоторых гормонов и других показателей.
Загвоздка в том, что для работы центрифуги необходимо электричество, которого нет во многих больницах в развивающихся странах.
Поэтому даже если у больницы есть деньги на центрифугу, для нее не находится лучшего применения, чем подпирать дверь.
И поэтому же в больницах зачастую нельзя выполнить даже простые анализы.
«У них есть список всех анализов, которые они выполняют, но по факту можно сделать только два из десяти, — рассказывает Пракаш. — Для остальных необходимо центрифугирование. Я видел такое снова и снова. Было ясно, что нам необходима центрифуга, которая будет работать без электричества... На этой планете миллиарды людей живут без электричества, инфраструктуры, дорог, и они должны заботиться о своем здоровье так же, как и мы с вами».
Пракаш и его коллеги решили создать дешевую и эффективную центрифугу, которая могла бы работать без электричества, повинуясь лишь простым законам физики. В поисках источника центробежной силы ученые обратились к детским игрушкам. Сначала их выбор пал на йо-йо, но опыты показали, что его механизм не способен выдать более 4000 оборотов в минуту. На такой низкой скорости центрифугирование лабораторных образцов могло бы занять очень много времени. Аналогичная проблема возникла с механическим миксером и другой кухонной утварью.
Момент истины наступил, когда кто-то принес жужжалку — простую самодельную игрушку, сделанную из пуговицы и продетой в ее отверстия веревочки, которой многие забавлялись в детстве. Концы веревочки закручиваются, а потом разводятся в разные стороны, заставляя пуговицу вращаться с большой скоростью, рассекая воздух, из-за чего и возникает характерное жужжание.
Аналоги этой игрушки возрастом около 5000 лет были найдены археологами на территориях от Китая до Израиля и Венесуэлы. Тогда вместо пуговиц использовались косточки. Поделки из нитки, продетой в пуговицу, были популярны на территории СССР, и даже сейчас можно найти в интернете рекомендации по изготовлению таких жужжалок.
Команда Пракаша с удивлением обнаружила, что
скорость вращения пуговицы доходит до 10 тыс. оборотов в минуту.
На основе игрушки исследователи создали устройство, состоящее из веревочек и бумажного диска, внутрь которого помещались капиллярные трубки с образцами крови. Экспериментируя с размером диска, расположением отверстий для капиллярных трубок, длиной веревочек,
команда добилась максимальной скорости вращения в 125 тыс. оборотов в минуту.
Это безусловный рекорд среди ручных центрифуг — обычно их скорость вращения не превышает 3–4 тыс. оборотов в минуту. При этом стоимость работающей от сети центрифуги, выдающей всего 16 тыс. оборотов в минуту, составляет в рублях около 80 тыс., а за скромные 4000 оборотов, которых ученые добились с помощью йо-йо, придется отдать около 20 тыс. Посвященная разработке статья была опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
«Мы подали заявку в комиссию Книги рекордов Гиннесса. Но кто угодно может сделать крутилку в соответствии с нашими наработками и получить те же значения. Это просто физика, а не какие-то специальные материалы», — говорят исследователи.
Ученые назвали свое изобретение paperfuge — «бумагофуга».
Его «детали» — бумага, нитки и клей — стоят около 20 центов.
Рабочий прототип сделан из водонепроницаемой бумаги, рыболовной лески и двух деревянных ручек для более удобного закручивания. Разделить кровь на плазму и форменные элементы с его помощью можно всего за две минуты, а за 15 — выявить малярийные плазмодии в капиллярной крови. Использовать такую центрифугу можно будет и при подготовке крови для тестирования на ВИЧ, что актуально для стран Африки.
Несмотря на простоту конструкции, вероятность облиться кровью или другими биологическими жидкостями практически исключена благодаря продуманной системе безопасности. «Мы сделали тысячу таких центрифуг и сотню испытали в полевых условиях, — рассказывает Пракаш. — Мы даже пытались выбросить их на улицу, чтобы проверить, протекают ли какие-то образцы».
Сейчас команда экспериментирует с другими материалами. Так, если вместо бумажных дисков использовать распечатанные на 3D-принтере пластиковые, «бумагофугу» можно запустить в массовое производство. Также можно создать диски с более сложной системой удержания жидкости для работы с реагентами. Или сделать диски прозрачными, чтобы их можно было использовать еще и как предметные стекла для микроскопа сразу после центрифугирования.
Также они завезли «бумагофуги» в сельские районы Мадагаскара, чтобы посмотреть, смогут ли местные медработники действительно их использовать.
Пракаш уже подписал контракт с некоммерческой организацией Pivot на тестирование прибора в отдаленных районах острова, которое начнется в марте. «На Мадагаскаре 90% лабораторий не имеют работающих центрифуг. Если эта штука работает, она изменит правила игры», — сказал глава фонда Мэттью Бондс.
«Когда первый раз все это объясняешь, люди смотрят на тебя изучающе, — делится Пракаш. — Но когда берешь диск в руки и показываешь, как он работает, у них над головой словно лампочка загорается. Забавно звучит, учитывая, что электричества там нет».
Пракаш не в первый раз создает оборудование буквально из подручных материалов. В 2014 году он с коллегами разработал фолдоскоп — микроскоп из нескольких кусков картона, шариковой линзы, светодиода и батарейки. Устройство стоимостью в один доллар обеспечивает увеличение до 480 раз. Его протестировали ученые-натуралисты и отметили, что фолдоскоп обеспечивает качественную макросъемку в походных условиях, где неудобно использовать профессиональную макроскопическую оптику — она много весит и портится от влаги, ее легко повредить. А испорченный фолдоскоп не жалко выбросить и всегда можно взять с собой запас в пару десятков.
А в сентябре прошлого года биохакеры показали, как за небольшую сумму собрать еще один важный, но дорогостоящий прибор — инъектор адреналина EpiPen, предназначенный для оказания экстренной помощи при внезапных опасных для жизни аллергических реакциях.
Устройство продавалось с 1987 года, и после получения эксклюзивного права на его продажу компанией Mylan цена стремительно поползла вверх. Если в 2007 году его можно было купить за $100, то к 2016 году стоимость возросла до $608. Биохакеры из объединения Four Thieves Vinegar придумали, как собрать альтернативный инъектор из готовых и имеющихся в продаже компонентов всего за $35. На сборку уходит пара минут и единственный минус в том, что количество адреналина приходится отмерять самостоятельно.