https://litfl.com/intraosseous-access/

El sistema d'injecció subcutània és essencialment un dispositiu microfluídic que segueix lleis de transport úniques. En un estat de flux laminar amb un nombre de Reynolds Re < 100, el flux de la solució del fàrmac està dominat per forces viscoses. Segons l'equació de Hagen-Poiseuille modificada, el cabal volumètric Q a través del tub de l'agulla ve donat per Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), on D és el diàmetre interior i d és el diàmetre del nucli de l'agulla (si n'hi ha), i la viscositat és la dinàmica. Per a una agulla de 27G d'ús habitual (diàmetre interior 0,21 mm) sota una empenta estàndard, el cabal de la solució aquosa és d'aproximadament 0,15 ml/s, mentre que el cabal d'una suspensió amb una viscositat de 50 cP cau a 0,03 ml/s. En aquest punt, cal utilitzar una agulla de 22G (diàmetre interior 0,41 mm) per mantenir un temps d'injecció raonable.

L'efecte de la tensió superficial no es pot ignorar en els fluxos a micro{0}}escala. La superfície líquida corbada formada dins d'una xeringa genera una pressió addicional ΔP=2 cosθ/r, on és el coeficient de tensió superficial (72 mN/m per a la interfície d'aigua-aire), θ és l'angle de contacte i r és el radi interior del tub. Quan r=0.1 mm, aquesta pressió pot arribar a 1,4 kPa, equivalent a 10 cm de columna d'aigua. Els recobriments hidròfils (amb un angle de contacte de 30-40 graus) poden reduir aquesta resistència en un 20%, però poden augmentar l'adsorció de proteïnes. La superfície súper llisa biomimètica desenvolupada recentment, bloquejant la capa líquida lubricant a través d'estructures micro-nano, pot aconseguir un flux gairebé sense fricció amb un angle de contacte proper als 0 graus.

La investigació sobre la dinàmica del flux del raig de la punta de l'agulla indica que després que el medicament líquid abandona la punta de l'agulla, forma tres estats de flux típics: raig continu (We > 100), flux de gotes (4 < We < 100) i flux atomitzat (We < 4). El nombre de Weber We=ρv²d/ representa la relació entre la força inercial i la tensió superficial. L'estat òptim per a la injecció d'insulina és el flux de gotetes amb We=20 - 40, en què el diàmetre de la gota és d'aproximadament 0.5 - 0.8 mm, formant una àrea de deposició ideal al teixit. La simulació computacional de dinàmica de fluids mostra que l'angle de difusió del flux de líquid generat per la punta de l'agulla de cinc-de pendent és de 8 - 12 graus, mentre que el de la punta de l'agulla de pendent tradicional és de 15 - 20 graus, cosa que indica que el nou disseny pot reduir el rang de distribució del medicament líquid en un 40%.

Les propietats no-newtonianes de la sang durant la recollida requereixen una manipulació especial. La sang mostra un comportament d'aprimament de cisalla a baixes taxes de cisalla, amb la viscositat aparent baixant de 4-5 cP en repòs a 3-3,5 cP a una velocitat de cisalla de 100 s⁻¹. El disseny dels sistemes de recollida de sang al buit s'ha de fer coincidir amb precisió: per a sang amb un hematocrit del 45%, a una agulla de 21G i una pressió negativa de -40 kPa, la velocitat de cisalla és d'aproximadament 3000 s⁻¹. En aquest punt, la sang és aproximadament un fluid newtonià (amb una viscositat de 3,2 cP), i el cabal pot arribar als 40 ml/min. Si s'utilitza una agulla fina de 25G, la velocitat de cisalla augmenta a 12000 s⁻¹ a la mateixa pressió negativa, cosa que pot desencadenar l'activació plaquetària induïda per la cisalla.

La interacció estreta-de fàrmacs és crucial per a l'estabilitat. Els fàrmacs basats en proteïnes-s'adhereixen a les superfícies metàl·liques seguint la isoterma de Langmuir. La capacitat màxima d'adsorció de l'acer inoxidable 316L per a la insulina és d'aproximadament 0,8 ug/cm². Un recobriment de silicona pot reduir l'adsorció a 0,2 ug/cm², però pot alliberar gotes d'oli de silicona (amb un diàmetre de 0.5 - 5 μm), provocant una resposta immune. El nou recobriment de polietilenglicol enllaçat covalentment (PEG) desenvolupat forma un raspall molecular de 2-3 nm mitjançant un enllaç sofre-or a la paret interna del tub de l'agulla, donant lloc a una capacitat d'adsorció de proteïnes de menys de 0,05 ug/cm² i sense substàncies lixiviables.

El control de la turbulència és crucial per a determinats fàrmacs. Els fàrmacs de molècules grans com els anticossos monoclonals poden patir canvis conformacionals quan la velocitat de cisalla és superior a 10.000 s⁻¹. La nova agulla laminar incorpora plaques de guia en espiral al lumen, convertint l'energia del flux en energia cinètica de rotació, mantenint així la velocitat de cisalla per sota de 5.000 s⁻¹. Els experiments amb animals han demostrat que després d'injectar trastuzumab a través de l'agulla tradicional, l'activitat d'unió a l'antigen va disminuir un 8%, mentre que només va disminuir un 2% quan s'injectava a través de l'agulla laminar. Aquest disseny també redueix els fenòmens de cavitació i redueix la generació de microbombolles dels 0,3 ml/min convencionals a 0,05 ml/min.