Højhastighedskamera fanger en vandstråles sprøjtende påvirkning, da det gennemborer en dråbe

Sprøjtning af en vandstråle gennem en dråbe væske kan lyde som inaktiv sjov, men hvis det gøres præcist, og forstået grundigt, den stænkende øvelse kunne hjælpe forskere med at identificere måder at injicere væsker såsom vacciner gennem huden uden at bruge nåle.

Det er motivationen bag et nyt studie af ingeniører ved MIT og University of Twente i Holland. Undersøgelsen involverer affyring af små vandstråler gennem mange slags dråber, flere hundrede gange ved hjælp af højhastighedskameraer til at fange hver vandig påvirkning. Holdets videoer minder om de berømte strobe-light fotografier af en kugle, der gennemborer et æble, banebrydende af MIT's Harold "Doc" Edgerton.

Edgertons billeder tog sekventielle billeder af en kugle, der blev skudt gennem et æble, i eksplosive detaljer. MIT -teamets nye videoer, af en vandstråle affyret gennem en dråbe, afsløre overraskende lignende effektdynamik. Da dråberne i deres eksperimenter er gennemsigtige, forskerne var også i stand til at spore, hvad der sker inde i en dråbe, når en jet bliver affyret.

Baseret på deres eksperimenter, forskerne udviklede en model, der forudsiger, hvordan en væskestråle vil påvirke en dråbe af en vis viskositet og elasticitet. Da menneskelig hud også er et viskoelastisk materiale, de siger, at modellen kan være indstillet til at forudsige, hvordan væsker kunne leveres gennem huden uden brug af nåle.

"Vi vil undersøge, hvordan nålfri injektion kan udføres på en måde, der minimerer skader på huden, "siger David Fernandez Rivas, en research affiliate ved MIT og professor ved University of Twente. "Med disse forsøg vi får al denne viden, for at informere om, hvordan vi kan skabe jetfly med den rigtige hastighed og form til at injicere i huden. "

Rivas og hans samarbejdspartnere, herunder Ian Hunter, George N. Hatsopoulos professor i termodynamik ved MIT, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Soft Matter .

Penetrerende porer

Nuværende nålfrie injektionssystemer bruger forskellige midler til at drive et lægemiddel med høj hastighed gennem hudens naturlige porer. For eksempel, MIT spinout -portalinstrumenter, som er udsprunget fra Hunter's gruppe, centrerer sig om et design, der bruger en elektromagnetisk aktuator til at skubbe tynde strømme af medicin gennem en dyse med hastigheder, der er høje nok til at trænge ind gennem huden og ind i den underliggende muskel.

Hunter samarbejder med Rivas om et separat kanylefrit injektionssystem for at levere mindre mængder i grundere lag af huden, ligner de dybder, hvor tatoveringer er farvet.

"Dette regime stiller forskellige udfordringer, men giver også muligheder for personlig medicin, "siger Rivas, der siger, at medicin som insulin og visse vacciner kan være effektive, når de leveres i mindre doser til hudens overfladiske lag.

Rivas 'design bruger en laveffektlaser til at opvarme en mikrofluidisk chip fyldt med væske. Ligesom at koge en kedel vand, laseren skaber en boble i væsken, der skubber væsken gennem chippen og ud gennem en dyse, ved høje hastigheder.

Rivas har tidligere brugt transparent gelatine som stand-in til hud, at identificere hastigheder og mængder væske, systemet effektivt kan levere. Men han indså hurtigt, at det gummiagtige materiale er svært at præcist gengive.

"Selv i det samme laboratorium og efter de samme opskrifter, du kan have variationer i din opskrift, så hvis du forsøger at finde den kritiske belastning eller hastighed, din jet skal have for at komme igennem huden, nogle gange har du værdier med en eller to størrelser fra hinanden, "Siger Rivas.

Ud over kuglen

Holdet besluttede at undersøge detaljeret et enklere injektionsscenarie:en vandstråle, affyret i en hængende dråbe vand. Vandets egenskaber er bedre kendte og kan kalibreres mere omhyggeligt sammenlignet med gelatine.

I den nye undersøgelse, holdet oprettede et laserbaseret mikrofluidsystem og affyrede tynde vandstråler ved en enkelt vanddråbe, eller "vedhæng, "hængende i en lodret sprøjte. De varierede viskositeten for hvert vedhæng ved at tilføje visse tilsætningsstoffer for at gøre det så tyndt som vand, eller tyk som honning. De registrerede derefter hvert forsøg med højhastighedskameraer.

Afspilning af videoerne ved 50, 000 billeder i sekundet, forskerne var i stand til at måle hastigheden og størrelsen af ​​væskestrålen, der punkterede og undertiden gennemborede lige gennem vedhænget. Forsøgene afslørede interessante fænomener, f.eks. tilfælde, hvor en jet blev trukket tilbage i en vedhæng, på grund af vedhængets viskoelasticitet. Til tider genererede strålen også luftbobler, da den gennemborede vedhænget.

"Det er vigtigt at forstå disse fænomener, for hvis vi injicerer i huden på denne måde, vi vil undgå, sige, bringe luftbobler ind i kroppen, "Siger Rivas.

Forskerne søgte at udvikle en model til at forudsige de fænomener, de så i laboratoriet. De tog inspiration fra Edgertons kuglehullede æbler, der lignede, i det mindste udadtil, til holdets jet-gennemborede dråber.

De startede med en ligning for at beskrive energien i en kugle, der blev affyret gennem et æble, tilpasning af ligningen til et væskebaseret scenario, for eksempel ved at inkorporere effekten af ​​overfladespænding, som ikke har nogen effekt i et fast stof som et æble, men er hovedkraften, der kan holde en væske i at bryde fra hinanden. De arbejdede under den antagelse, at som en kugle, den affyrede jet ville opretholde en cylindrisk form. De fandt denne simple model tilnærmelsesvis tilnærmet den dynamik, de observerede i deres eksperimenter.

Men videoerne viste klart, at jetens form, da den trængte ind i en vedhæng, var mere kompleks end en simpel cylinder. Så, forskerne udviklede en anden model, baseret på en kendt ligning af fysiker Lord Rayleigh, der beskriver, hvordan formen på et hulrum ændres, når det bevæger sig gennem en væske. De ændrede ligningen til at gælde for en flydende stråle, der bevæger sig gennem en væskedråbe, og fandt ud af, at denne anden model frembragte en mere præcis fremstilling af det, de observerede.

"Denne nye metode til at generere højhastighedsmikrodråber er meget vigtig for fremtiden for nålefri lægemiddellevering, "Hunter siger." En forståelse af, hvordan disse meget hurtigt bevægelige mikrodråber interagerer med stationære væsker med forskellige viskositeter, er et vigtigt første skridt til at modellere deres interaktion med en lang række vævstyper. "

Teamet planlægger at udføre flere eksperimenter, ved hjælp af vedhæng med egenskaber endnu mere som hudens. Resultaterne fra disse forsøg kunne hjælpe med at finjustere modellerne til at indsnævre de optimale betingelser for at injicere medicin, eller endda blæk tatoveringer, uden brug af nåle.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.