Een waterstraal door een druppel vloeistof spuiten klinkt misschien als inactief plezier, maar als het precies wordt gedaan, en goed begrepen, de spetterende oefening zou wetenschappers kunnen helpen manieren te identificeren om vloeistoffen zoals vaccins door de huid te injecteren zonder naalden te gebruiken.

Dat is de motivatie achter een nieuw onderzoek door ingenieurs van het MIT en de Universiteit Twente in Nederland. De studie omvat het afvuren van kleine waterstralen door vele soorten druppeltjes, honderden keren, met behulp van hogesnelheidscamera's om elke waterige impact vast te leggen. De video's van het team doen denken aan de beroemde stroboscoopfoto's van een kogel die een appel doorboort, ontwikkeld door MIT's Harold "Doc" Edgerton.

Edgerton's beelden maakten opeenvolgende beelden van een kogel die door een appel werd geschoten, in explosief detail. De nieuwe video's van het MIT-team, van een waterstraal afgevuurd door een druppel, onthullen verrassend vergelijkbare impactdynamiek. Omdat de druppeltjes in hun experimenten transparant zijn, de onderzoekers konden ook volgen wat er in een druppel gebeurt als er een straal doorheen wordt geschoten.

Op basis van hun experimenten, de onderzoekers ontwikkelden een model dat voorspelt hoe een vloeistofstraal een druppel met een bepaalde viscositeit en elasticiteit zal beïnvloeden. Aangezien de menselijke huid ook een visco-elastisch materiaal is, ze zeggen dat het model kan worden afgestemd om te voorspellen hoe vloeistoffen door de huid kunnen worden afgegeven zonder het gebruik van naalden.

"We willen onderzoeken hoe naaldloze injectie kan worden gedaan op een manier die schade aan de huid minimaliseert, " zegt David Fernandez Rivas, een onderzoeksfiliaal bij MIT en hoogleraar aan de Universiteit Twente. "Met deze experimenten we krijgen al deze kennis, om te informeren hoe we jets kunnen maken met de juiste snelheid en vorm om in de huid te injecteren."

Rivas en zijn medewerkers, waaronder Ian Hunter, de George N. Hatsopoulos Professor in Thermodynamica aan het MIT, hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Zachte materie .

doordringende poriën

Huidige naaldloze injectiesystemen gebruiken verschillende middelen om een ​​medicijn met hoge snelheid door de natuurlijke poriën van de huid te stuwen. Bijvoorbeeld, MIT spin-out Portal Instruments, die is voortgekomen uit de groep van Hunter, draait om een ​​ontwerp dat een elektromagnetische actuator gebruikt om dunne stromen medicijn door een mondstuk te spuiten met snelheden die hoog genoeg zijn om door de huid en in de onderliggende spier te dringen.

Hunter werkt samen met Rivas aan een afzonderlijk naaldvrij injectiesysteem om kleinere volumes in ondiepere huidlagen af ​​te leveren, vergelijkbaar met de diepte waarop tatoeages worden geïnkt.

"Dit regime stelt andere uitdagingen, maar biedt ook kansen voor gepersonaliseerde geneeskunde, " zegt Rivas, die zegt dat medicijnen zoals insuline en bepaalde vaccins effectief kunnen zijn wanneer ze in kleinere doses worden toegediend aan de oppervlakkige lagen van de huid.

Het ontwerp van Rivas gebruikt een laser met laag vermogen om een ​​microfluïdische chip gevuld met vloeistof op te warmen. Vergelijkbaar met het koken van een ketel water, de laser creëert een bel in de vloeistof die de vloeistof door de chip en door een mondstuk naar buiten duwt, bij hoge snelheden.

Rivas heeft eerder transparante gelatine gebruikt als vervanging voor de huid, om snelheden en volumes vloeistof te identificeren die het systeem effectief kan leveren. Maar hij realiseerde zich al snel dat het rubberachtige materiaal moeilijk precies te reproduceren is.

"Zelfs in hetzelfde lab en volgens dezelfde recepten, je kunt variaties in je recept hebben, zodat als je de kritieke spanning of snelheid probeert te vinden, je jet door de huid moet gaan, soms heb je waarden die een of twee magnitudes uit elkaar liggen, ' zegt Rivas.

Voorbij de kogel

Het team besloot een eenvoudiger injectiescenario in detail te bestuderen:een waterstraal, afgevuurd in een zwevende druppel water. De eigenschappen van water zijn beter bekend en kunnen zorgvuldiger worden gekalibreerd in vergelijking met gelatine.

In de nieuwe studie het team zette een op laser gebaseerd microfluïdisch systeem op en vuurde dunne waterstralen af ​​op een enkele waterdruppel, of "hanger, " hangend aan een verticale spuit. Ze varieerden de viscositeit van elke hanger door bepaalde additieven toe te voegen om het zo dun als water te maken, of dik als honing. Vervolgens namen ze elk experiment op met hogesnelheidscamera's.

De video's afspelen op 50, 000 beelden per seconde, de onderzoekers konden de snelheid en grootte meten van de vloeistofstraal die de hanger doorboorde en soms doorboorde. De experimenten brachten interessante fenomenen aan het licht, zoals gevallen waarin een jet terug in een hanger werd gesleept, vanwege de visco-elasticiteit van de hanger. Soms genereerde de straal ook luchtbellen toen hij de hanger doorboorde.

"Het is belangrijk om deze verschijnselen te begrijpen, want als we op deze manier in de huid injecteren, wij willen vermijden, zeggen, luchtbellen in het lichaam brengen, ' zegt Rivas.

De onderzoekers wilden een model ontwikkelen om de verschijnselen die ze in het laboratorium zagen te voorspellen. Ze lieten zich inspireren door Edgertons doorboorde appels, die op elkaar leken, uiterlijk tenminste naar de jet-doorboorde druppels van het team.

Ze begonnen met een eenvoudige vergelijking om de energie te beschrijven van een kogel die door een appel wordt afgevuurd, de vergelijking aanpassen aan een op vloeistof gebaseerd scenario, bijvoorbeeld door het effect van oppervlaktespanning op te nemen, die geen effect heeft in een vaste stof zoals een appel, maar de belangrijkste kracht is die kan voorkomen dat een vloeistof uit elkaar valt. Ze werkten in de veronderstelling dat als een kogel, de afgevuurde straal zou een cilindrische vorm behouden. Ze ontdekten dat dit eenvoudige model ongeveer de dynamiek die ze in hun experimenten waarnamen, benaderde.

Maar de video's lieten duidelijk zien dat de vorm van de jet, toen het een hanger binnendrong, was complexer dan een eenvoudige cilinder. Dus, de onderzoekers ontwikkelden een tweede model, gebaseerd op een bekende vergelijking van natuurkundige Lord Rayleigh, dat beschrijft hoe de vorm van een holte verandert als deze door een vloeistof beweegt. Ze hebben de vergelijking aangepast om van toepassing te zijn op een vloeistofstraal die door een vloeistofdruppel beweegt, en ontdekten dat dit tweede model een nauwkeuriger weergave gaf van wat ze waarnamen.

"Deze nieuwe methode voor het genereren van microdruppeltjes met hoge snelheid is erg belangrijk voor de toekomst van naaldloze medicijnafgifte, ", zegt Hunter. "Begrijpen hoe deze zeer snel bewegende microdruppels interageren met stationaire vloeistoffen met verschillende viscositeiten is een essentiële eerste stap om hun interactie met een breed scala aan weefseltypes te modelleren."

Het team is van plan meer experimenten uit te voeren, hangers gebruiken met eigenschappen die nog meer op die van huid lijken. De resultaten van deze experimenten kunnen helpen bij het verfijnen van de modellen om de optimale omstandigheden voor het injecteren van medicijnen te bepalen, of zelfs tatoeages inkleuren, zonder naalden te gebruiken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.