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.
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