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

Det subkutane injektionssystem er i det væsentlige en mikrofluidisk enhed, der følger unikke transportlove. I en laminær strømningstilstand med et Reynolds-tal Re < 100 domineres strømmen af ​​lægemiddelopløsningen af ​​viskøse kræfter. Ifølge den modificerede Hagen-Poiseuille-ligning er den volumetriske strømningshastighed Q gennem nålerøret givet af Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), hvor D er den indvendige diameter og d er diameteren af ​​nålekernens dynamik (hvis nogen er), og viskositeten. For en almindeligt anvendt 27G nål (indvendig diameter 0,21 mm) under standardtryk er strømningshastigheden af ​​den vandige opløsning ca. 0,15 ml/s, mens strømningshastigheden af ​​en suspension med en viskositet på 50 cP falder til 0,03 ml/s. På dette tidspunkt skal en 22G nål (indvendig diameter 0,41 mm) bruges for at opretholde en rimelig injektionstid.

Overfladespændingseffekten kan ikke ignoreres i mikro-skalastrømme. Den buede væskeoverflade dannet inde i en sprøjte genererer et yderligere tryk ΔP=2 cosθ/r, hvor er overfladespændingskoefficienten (72 mN/m for vand-luftgrænsefladen), θ er kontaktvinklen, og r er den indre radius af røret. Når r=0.1 mm, kan dette tryk nå 1,4 kPa, svarende til 10 cm vandsøjle. Hydrofile belægninger (med en kontaktvinkel på 30-40 grader) kan reducere denne modstand med 20 %, men kan øge proteinadsorptionen. Den nyudviklede biomimetiske super-glatte overflade kan ved at låse det smørende væskelag gennem mikronano-strukturer opnå næsten friktionsfri flow med en kontaktvinkel, der nærmer sig 0 grader.

Forskningen i dynamikken af ​​nålespidsstrålestrøm indikerer, at efter at den flydende medicin forlader nålespidsen, danner den tre typiske strømningstilstande: kontinuerlig stråle (We > 100), dråbestrøm (4 < We < 100) og forstøvet strømning (We < 4). Weber-tallet We=ρv²d/ repræsenterer forholdet mellem inertikraft og overfladespænding. Den optimale tilstand for insulininjektion er dråbestrømmen med We=20 - 40, ved hvilken dråbediameteren er ca. 0.5 - 0.8 mm, hvilket danner et ideelt aflejringsområde i vævet. Beregningsbaseret væskedynamiksimulering viser, at diffusionsvinklen for væskestrømmen, der genereres af nålespidsen med fem- hældninger, er 8 - 12 grader, mens vinklen for den traditionelle hældningsnålespids er 15 - 20 grader, hvilket indikerer, at det nye design kan reducere fordelingsområdet for den flydende medicin med 40 %.

Blodets ikke-newtonske egenskaber under indsamling kræver særlig håndtering. Blod udviser forskydningsfortyndende adfærd ved lave forskydningshastigheder, hvor den tilsyneladende viskositet falder fra 4-5 cP i hvile til 3-3,5 cP ved en forskydningshastighed på 100 s⁻¹. Designet af vakuum-blodopsamlingssystemer skal matches præcist: for blod med en hæmatokrit på 45 %, ved en 21G nål og -40 kPa undertryk, er forskydningshastigheden cirka 3000 s⁻¹. På dette tidspunkt er blodet cirka en newtonsk væske (med en viskositet på 3,2 cP), og strømningshastigheden kan nå 40 ml/min. Hvis en 25G fin nål bruges, stiger forskydningshastigheden til 12000 s⁻¹ ved det samme undertryk, hvilket kan udløse forskydningsinduceret blodpladeaktivering.

Lægemiddel-snæver interaktion er afgørende for stabiliteten. Protein-baserede lægemidler klæber til metaloverflader efter Langmuir-isotermen. Den maksimale adsorptionskapacitet for 316L rustfrit stål til insulin er ca. 0,8 ug/cm². En silikonebelægning kan reducere adsorptionen til 0,2 ug/cm², men den kan frigive silikoneoliedråber (med en diameter på 0.5 - 5 μm), hvilket udløser et immunrespons. Den nyudviklede kovalent bundne polyethylenglycol (PEG)-coating danner en 2-3 nm molekylær børste ved svovl-guldbinding på den indvendige væg af nålerøret, hvilket resulterer i en proteinadsorptionskapacitet på mindre end 0,05 ug/cm² og ingen udvaskelige stoffer.

Turbulenskontrol er afgørende for visse lægemidler. Lægemidler med store molekyler, såsom monoklonale antistoffer, kan undergå konformationelle ændringer, når forskydningshastigheden er større end 10.000 s⁻1. Den nye laminære nål inkorporerer spiralstyreplader i lumen, der omdanner strømningsenergien til rotationskinetisk energi, og holder derved forskydningshastigheden under 5.000 s⁻¹. Dyreforsøg har vist, at efter at trastuzumab blev injiceret gennem den traditionelle nål, faldt antigenbindingsaktiviteten med 8%, mens den kun faldt med 2%, når den blev injiceret gennem den laminære nål. Dette design reducerer også kavitationsfænomener og reducerer dannelsen af ​​mikrobobler fra de konventionelle 0,3 ml/min til 0,05 ml/min.