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

Sustav supkutanog ubrizgavanja u biti je mikrofluidni uređaj koji slijedi jedinstvene zakone transporta. U stanju laminarnog strujanja s Reynoldsovim brojem Re < 100, protokom otopine lijeka dominiraju viskozne sile. Prema modificiranoj Hagen-Poiseuilleovoj jednadžbi, volumetrijska brzina protoka Q kroz cijev igle dana je s Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), gdje je D unutarnji promjer i d promjer jezgre igle (ako postoji), a μ je dinamička viskoznost. Za uobičajeno korištenu iglu 27G (unutarnji promjer 0,21 mm) pod standardnim potiskom, brzina protoka vodene otopine je približno 0,15 ml/s, dok brzina protoka suspenzije s viskoznošću od 50 cP pada na 0,03 ml/s. U ovom trenutku potrebno je koristiti iglu 22G (unutarnji promjer 0,41 mm) kako bi se održalo razumno vrijeme ubrizgavanja.

Učinak površinske napetosti ne može se zanemariti u mikro{0}}strujanjima. Zakrivljena površina tekućine formirana unutar štrcaljke stvara dodatni tlak ΔP=2 cosθ/r, gdje je koeficijent površinske napetosti (72 mN/m za sučelje voda-zrak), θ je kontaktni kut, a r je unutarnji radijus cijevi. Kada je r=0.1 mm, ovaj tlak može doseći 1,4 kPa, što je ekvivalentno 10 cm vodenog stupca. Hidrofilni premazi (s kontaktnim kutom od 30-40 stupnjeva) mogu smanjiti ovaj otpor za 20%, ali mogu povećati adsorpciju proteina. Novorazvijena biomimetička super{14}}glatka površina, zaključavanjem sloja tekućine za podmazivanje kroz mikro-nano strukture, može postići protok gotovo bez trenja s kontaktnim kutom koji se približava 0 stupnjeva.

Istraživanje dinamike protoka mlaza vrha igle pokazuje da nakon što tekući lijek napusti vrh igle, formira tri tipična stanja protoka: kontinuirani mlaz (We > 100), protok kapljica (4 < We < 100) i atomizirani protok (We < 4). Weberov broj We=ρv²d/ predstavlja omjer inercijske sile i površinske napetosti. Optimalno stanje za injekciju inzulina je protok kapljice s We=20 - 40, pri kojem je promjer kapljice približno 0.5 - 0.8 mm, tvoreći idealno područje taloženja u tkivu. Računalna simulacija dinamike fluida pokazuje da je difuzijski kut protoka tekućine koji stvara vrh igle s pet- nagibom 8 - 12 stupnjeva, dok je kut tradicionalnog nagiba vrha igle 15 - 20 stupnjeva, što ukazuje da novi dizajn može smanjiti raspon distribucije tekućeg lijeka za 40%.

Ne-Newtonova svojstva krvi tijekom prikupljanja zahtijevaju posebno rukovanje. Krv pokazuje ponašanje razrjeđivanja smicanjem pri niskim brzinama smicanja, pri čemu prividna viskoznost pada s 4-5 cP u mirovanju na 3-3,5 cP pri brzini smicanja od 100 s⁻¹. Dizajn vakuumskih sustava za prikupljanje krvi mora biti precizno usklađen: za krv s hematokritom od 45%, kod igle od 21G i negativnog tlaka od -40 kPa, brzina smicanja je približno 3000 s⁻¹. U ovom trenutku krv je približno Newtonska tekućina (s viskoznošću od 3,2 cP), a brzina protoka može doseći 40 ml/min. Ako se koristi tanka igla od 25G, brzina smicanja povećava se na 12000 s⁻¹ pri istom negativnom tlaku, što može potaknuti aktivaciju trombocita izazvanu smicanjem.

Uska interakcija-lijekova presudna je za stabilnost. Lijekovi na bazi proteina-prianjaju na metalne površine slijedeći Langmuirovu izotermu. Maksimalni kapacitet adsorpcije nehrđajućeg čelika 316L za inzulin je približno 0,8 ug/cm². Silikonska prevlaka može smanjiti adsorpciju na 0,2 ug/cm², ali može otpustiti kapljice silikonskog ulja (promjera 0.5 - 5 μm), pokrećući imunološki odgovor. Novorazvijena kovalentno vezana polietilen glikolna (PEG) prevlaka tvori molekularnu četku od 2-3 nm spajanjem sumpora i zlata na unutarnjoj stijenci cijevi igle, što rezultira kapacitetom adsorpcije proteina manjim od 0,05 ug/cm² i bez tvari koje se mogu isprati.

Kontrola turbulencije ključna je za određene lijekove. Lijekovi velikih molekula kao što su monoklonska protutijela mogu proći kroz konformacijske promjene kada je brzina smicanja veća od 10 000 s⁻¹. Nova laminarna igla uključuje spiralne vodeće ploče u lumenu, pretvarajući energiju protoka u rotacionu kinetičku energiju, čime se brzina smicanja održava ispod 5000 s⁻¹. Pokusi na životinjama pokazali su da se nakon ubrizgavanja trastuzumaba kroz tradicionalnu iglu aktivnost vezanja antigena smanjila za 8%, dok se smanjila za samo 2% kada je ubrizgan kroz laminarnu iglu. Ovaj dizajn također smanjuje pojavu kavitacije i smanjuje stvaranje mikromjehurića s uobičajenih 0,3 ml/min na 0,05 ml/min.