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Mikrozentrifuge wird zur Blutschleuder

(27.10.2021) Mit einem Rotor aus dem 3D-Drucker passen auch Blutröhrchen in die kleinste Mikrozentrifuge.
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Anpiksen, aufziehen, verschließen. Und dann? Blutproben für biomedizinische Unter­suchungen werden meist in speziellen Röhrchen, etwa S-Monovetten, aufgenommen und ins Labor geschickt. Dort heißt es dann erst einmal, Blutplasma von allen anderen Blutbestand­teilen abtrennen. Wenn das Labor weit entfernt und die Kühlkette schwer einzuhalten ist, werden die Ergebnisse der Analyse aber schnell fragwürdig oder sind im schlimmsten Fall unbrauchbar. Leistungs­starke Kühlzen­trifugen sind aber nicht in jedem Labor vorhanden, schon gar nicht in ärmeren Gegenden.

In den meist über hundert Kilogramm schweren Geräten kann man je nach Rotor-Einsatz zwanzig bis hundert Proben bei verschiedenen Temperaturen und Geschwin­digkeiten zentrifugieren. Geht es aber nur darum, hie und da eine Handvoll Blutproben für Plasma- oder Blutzell­analysen vor Ort herunter­zuzentrifugieren, blockieren die wuchtigen Zentrifugen nur kostbaren Platz im Labor und ihre Anschaffung lohnt sich nicht – oder ist von vorneherein zu teuer.

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Kegelstumpf-Rotoren

„Weniger ist mehr“ dachten sich deshalb Maiwenn Kersaudy-Kerhoas und ihr Team an der School of Engineering and Physical Sciences der Heriot-Watt University in Edinburgh. Die Schotten ersetzten den ursprüng­lichen Rotor einer Mikro­zentrifuge durch einen Rotor aus dem 3D-Drucker, der zwei übliche 9-ml-Blutentnahme-Röhrchen aufnehmen kann.

In das Design des Rotors investierte die Gruppe ziemlich viel Hirnschmalz: Die fragilen Blutproben dürfen nicht zu starken Scherkräften ausgesetzt werden, andererseits muss die Geschwin­digkeit beim Pelletieren hoch genug sein, um eine optimale Trennung des Plasmas zu erzielen. Der Radius des Rotors sollte deshalb möglichst groß sein – mit zunehmendem Radius wird der Rotor aber auch schwerer und damit das Trägheits­moment höher, wodurch sich die Rotor-Geschwindigkeit verringert.

Die Forscher stellten 13 Rotor-Versionen mit einem 3D-Drucker aus Polylactid (PLA) her und testeten ihre Eignung für die Zentrifugation von Blutentnahme-Röhrchen mit der Mikro­zentrifuge. Ein offenes Design, bei dem die Röhrchen wie in einem Ketten­karussell frei hängen, disqualifizierte sich schnell. Der Luftwider­stand bremst zu stark und macht den Vorteil des geringeren Gewichts (60 g) komplett zunichte. Alle anderen Prototypen hatten die Form eines Kegelstumpfs, in dem sich die Röhrchen mit einem Neigungs­winkel zwischen 45° und 25° gegen­überstehen. 45° entspricht zwar dem optimalen Winkel zum Pelletieren, doch erreicht man diesen nur mit breiteren, und somit schwereren Rotoren. Die Gruppe minimierte zudem die Oberfläche des Kegelstumpfs, um den Luftwider­stand zu verringern. Mithilfe von Video­aufnahmen verfolgte sie unerwünschte Vibrationen, die insbesondere beim Beschleunigen und Bremsen des Rotors auftreten.

Viermal besser

Am besten schnitt schließlich ein 340 Gramm schwerer Rotor mit 25° geneigten Röhrchen ab, der eine Rotations­geschwindigkeit von 6.725 Umdrehungen pro Minute erreicht, was einer relativen Zentri­fugalkraft von 1.060 g entspricht (siehe Bild). Die Plasma­ausbeute mit der Mikro­zentrifuge und dem adaptierten Rotor war genauso hoch wie bei einer Zentrifugation in einer üblichen gekühlten Zentrifuge. Bei Blutplättchen schnitt sie sogar viermal besser ab als die Kühlzen­trifuge. Dies wäre insbesondere bei Koagulations-Analysen ein Vorteil. Auch die Qualität des Plasmas hinsichtlich der Zahl roter Blut­körperchen und der Blutplättchen sowie Hämolyse und Albumin-Mengen unterschied sich nicht wesentlich. Einzig die Konzentration Zell-freier-DNA war etwas höher – offensichtlich werden weiße Blutzellen in der Mikro­zentrifuge nicht so effektiv getrennt.

Preislich ist die Zentrifuge mit selbsther­gestelltem Blutröhrchen-Rotor ohnehin unschlagbar günstig. Mikrozentrifugen gibt es schon ab etwa 100 Euro und der Druck des Rotors kostet um die 15 Euro. Die nötigen Baupläne stellen die Schotten auf Figshare zur Verfügung.

Andrea Pitzschke

Haque M. et al. (2021): Design, 3D-printing, and characterisation of a low-cost, open-source centrifuge adaptor for separating large volume clinical blood samples. bioRxiv, DOI: 10.1101/2021.10.19.464959

Bild: Haque et al. & Pixabay/jambulboy





Letzte Änderungen: 27.10.2021