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

System wstrzykiwania podskórnego jest zasadniczo urządzeniem mikroprzepływowym, które podlega unikalnym przepisom dotyczącym transportu. W stanie przepływu laminarnego o liczbie Reynoldsa Re < 100, w przepływie roztworu leku dominują siły lepkości. Zgodnie ze zmodyfikowanym równaniem Hagena-Poiseuille’a objętościowe natężenie przepływu Q przez rurkę igłową wyraża się wzorem Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), gdzie D to średnica wewnętrzna, d to średnica rdzenia igły (jeśli występuje), a μ to lepkość dynamiczna. Dla powszechnie stosowanej igły 27G (średnica wewnętrzna 0,21 mm) przy standardowym naciągu natężenie przepływu roztworu wodnego wynosi około 0,15 ml/s, natomiast natężenie przepływu zawiesiny o lepkości 50 cP spada do 0,03 ml/s. W tym momencie należy zastosować igłę 22G (średnica wewnętrzna 0,41 mm), aby zachować rozsądny czas wstrzyknięcia.

W przepływach w skali mikro- nie można ignorować efektu napięcia powierzchniowego. Zakrzywiona powierzchnia cieczy utworzona wewnątrz strzykawki generuje dodatkowe ciśnienie ΔP=2 cosθ/r, gdzie jest współczynnikiem napięcia powierzchniowego (72 mN/m dla granicy faz woda-powietrze), θ to kąt zwilżania, a r to wewnętrzny promień rurki. Przy r=0.1 mm ciśnienie to może osiągnąć 1,4 kPa, co odpowiada 10 cm słupa wody. Powłoki hydrofilowe (o kącie zwilżania 30-40 stopni) mogą zmniejszyć ten opór o 20%, ale mogą zwiększyć adsorpcję białek. Nowo opracowana biomimetyczna,-super gładka powierzchnia, blokując warstwę płynu smarującego w strukturach mikro-nano, pozwala uzyskać przepływ niemal bez tarcia przy kącie zwilżania bliskim 0 stopni.

Badania dynamiki przepływu strumienia końcówki igły wskazują, że płynny lek po opuszczeniu końcówki igły tworzy trzy typowe stany przepływu: strumień ciągły (We > 100), przepływ kropelkowy (4 < We < 100) i przepływ atomizowany (We < 4). Liczba Webera We=ρv²d/ reprezentuje stosunek siły bezwładności do napięcia powierzchniowego. Optymalnym stanem do wstrzyknięcia insuliny jest przepływ kropelek o We=20 - 40, przy którym średnica kropelek wynosi w przybliżeniu 0.5 - 0.8 mm, tworząc idealny obszar osadzania w tkance. Symulacja obliczeniowa dynamiki płynów pokazuje, że kąt dyfuzji przepływu cieczy generowanej przez końcówkę igły z pięcioma-nachylonymi krawędziami wynosi 8 - 12 stopni, podczas gdy kąt tradycyjnej końcówki igły z nachyloną krawędzią wynosi 15 - 20 stopni, co wskazuje, że nowa konstrukcja może zmniejszyć zakres dystrybucji płynnego leku o 40%.

Nie{0}}newtonowskie właściwości krwi podczas pobierania wymagają specjalnego postępowania. Krew wykazuje właściwości rozrzedzające się przy niskich szybkościach ścinania, a lepkość pozorna spada z 4-5 cP w spoczynku do 3-3,5 cP przy szybkości ścinania 100 s⁻¹. Konstrukcja systemów próżniowego pobierania krwi musi być precyzyjnie dopasowana: dla krwi o hematokrycie 45%, przy igle 21G i podciśnieniu -40 kPa, szybkość ścinania wynosi około 3000 s⁻¹. W tym momencie krew jest w przybliżeniu płynem Newtona (o lepkości 3,2 cP), a natężenie przepływu może osiągnąć 40 ml/min. W przypadku stosowania cienkiej igły 25G szybkość ścinania wzrasta do 12000 s⁻¹ przy tym samym podciśnieniu, co może wywołać aktywację płytek krwi wywołaną ścinaniem.

Wąska interakcja-leku ma kluczowe znaczenie dla stabilności. Leki-białkowe przylegają do powierzchni metalowych zgodnie z izotermą Langmuira. Maksymalna zdolność adsorpcji insuliny ze stali nierdzewnej 316L wynosi około 0,8 ug/cm². Powłoka silikonowa może zmniejszyć adsorpcję do 0,2 ug/cm², ale może uwolnić kropelki oleju silikonowego (o średnicy 0.5 - 5 μm), wywołując odpowiedź immunologiczną. Nowo opracowana powłoka z glikolu polietylenowego (PEG) z wiązaniem kowalencyjnym tworzy szczoteczkę molekularną o średnicy 2-3 nm poprzez wiązanie siarki i złota na wewnętrznej ściance rurki igły, co skutkuje zdolnością adsorpcji białka mniejszą niż 0,05 ug/cm² i brakiem substancji wymywalnych.

Kontrola turbulencji ma kluczowe znaczenie w przypadku niektórych leków. Leki wielkocząsteczkowe, takie jak przeciwciała monoklonalne, mogą ulegać zmianom konformacyjnym, gdy szybkość ścinania jest większa niż 10 000 s⁻¹. Nowa igła laminarna zawiera w świetle spiralne płytki prowadzące, przekształcające energię przepływu w energię kinetyczną obrotu, utrzymując w ten sposób szybkość ścinania poniżej 5000 s⁻¹. Doświadczenia na zwierzętach wykazały, że po wstrzyknięciu trastuzumabu przez tradycyjną igłę aktywność wiązania antygenu spadła o 8%, podczas gdy po wstrzyknięciu trastuzumabu przez igłę laminarną zmniejszyła się jedynie o 2%. Konstrukcja ta ogranicza również zjawisko kawitacji i ogranicza powstawanie mikropęcherzyków z konwencjonalnego 0,3 ml/min do 0,05 ml/min.