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

Система подкожной инъекции по сути представляет собой микрофлюидное устройство, подчиняющееся уникальным законам транспорта. В состоянии ламинарного течения с числом Рейнольдса Re < 100 в течении раствора лекарственного средства преобладают силы вязкости. Согласно модифицированному уравнению Хагена-Пуазейля, объемный расход Q через трубку иглы определяется выражением Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128 мкл), где D — внутренний диаметр, d — диаметр сердечника иглы (если есть), а μ — динамическая вязкость. Для обычно используемой иглы 27G (внутренний диаметр 0,21 мм) при стандартной тяге скорость потока водного раствора составляет примерно 0,15 мл/с, тогда как скорость потока суспензии вязкостью 50 сП снижается до 0,03 мл/с. На этом этапе необходимо использовать иглу 22G (внутренний диаметр 0,41 мм), чтобы обеспечить разумное время инъекции.

Эффект поверхностного натяжения нельзя игнорировать в потоках микро-масштаба. Искривленная поверхность жидкости, образующаяся внутри шприца, создает дополнительное давление ΔP=2 cosθ/r, где – коэффициент поверхностного натяжения (72 мН/м для границы раздела вода-воздух), θ – угол смачивания, r – внутренний радиус трубки. При r= 0.1 мм это давление может достигать 1,4 кПа, что соответствует 10 см водного столба. Гидрофильные покрытия (с углом контакта 30-40 градусов) могут снизить это сопротивление на 20 %, но могут увеличить адсорбцию белка. Недавно разработанная биомиметическая супер-гладкая поверхность за счет фиксации слоя смазывающей жидкости посредством микронаноструктур позволяет добиться потока практически без трения с углом контакта, приближающимся к 0 градусов.

Исследования динамики струйного течения на кончике иглы показывают, что после выхода жидкого лекарственного препарата из кончика иглы оно образует три типичных состояния течения: сплошное струйное (We > 100), капельное (4 < We < 100) и распыленное течение (We < 4). Число Вебера We=ρv²d/ представляет собой отношение силы инерции к поверхностному натяжению. Оптимальным состоянием для инъекции инсулина является капельный поток с We=20 - 40, при котором диаметр капли составляет примерно 0.5 - 0.8 мм, образуя идеальную зону осаждения в ткани. Вычислительное моделирование гидродинамики показывает, что угол диффузии потока жидкости, генерируемого кончиком иглы с пятью-наклонами, составляет 8 - 12 градусов, в то время как угол диффузии потока жидкости с традиционным наклоном кончика иглы составляет 15 - 20 градусов, что указывает на то, что новая конструкция может уменьшить диапазон распределения жидкого лекарственного средства на 40%.

Не-ньютоновские свойства крови во время сбора требуют особого обращения. Кровь демонстрирует разжижение при сдвиге при низких скоростях сдвига, при этом кажущаяся вязкость падает с 4-5 сП в состоянии покоя до 3-3,5 сП при скорости сдвига 100 с⁻¹. Конструкция вакуумных систем взятия крови должна быть точно подобрана: для крови с гематокритом 45% при игле 21G и отрицательном давлении -40 кПа скорость сдвига составляет примерно 3000 с⁻¹. В этот момент кровь представляет собой примерно ньютоновскую жидкость (с вязкостью 3,2 сП), а скорость потока может достигать 40 мл/мин. Если используется тонкая игла 25G, скорость сдвига увеличивается до 12000 с⁻¹ при том же отрицательном давлении, что может вызвать активацию тромбоцитов, вызванную сдвигом.

Узкое взаимодействие лекарств- имеет решающее значение для стабильности. Лекарства на основе белка-прилипают к металлическим поверхностям в соответствии с изотермой Ленгмюра. Максимальная адсорбционная способность нержавеющей стали 316L для инсулина составляет примерно 0,8 мкг/см². Силиконовое покрытие может снизить адсорбцию до 0,2 мкг/см², но может выделять капли силиконового масла (диаметром 0.5 - 5 мкм), вызывая иммунный ответ. Недавно разработанное ковалентно связанное покрытие из полиэтиленгликоля (ПЭГ) образует молекулярную щетку размером 2-3 нм за счет связи сера-золото на внутренней стенке трубки иглы, что приводит к адсорбционной способности белка менее 0,05 мкг/см² и отсутствию вымываемых веществ.

Контроль турбулентности имеет решающее значение для некоторых лекарств. Лекарственные средства с большими молекулами, такие как моноклональные антитела, могут претерпевать конформационные изменения, когда скорость сдвига превышает 10 000 с⁻¹. Новая ламинарная игла оснащена спиральными направляющими пластинами в просвете, преобразующими энергию потока в кинетическую энергию вращения, тем самым поддерживая скорость сдвига ниже 5000 с⁻¹. Эксперименты на животных показали, что после введения трастузумаба через традиционную иглу антигенсвязывающая активность снижалась на 8%, тогда как при введении через ламинарную иглу она снижалась всего на 2%. Такая конструкция также уменьшает явления кавитации и снижает образование микропузырьков с обычных 0,3 мл/мин до 0,05 мл/мин.