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

Het subcutane injectiesysteem is in wezen een microfluïdisch apparaat dat unieke transportwetten volgt. In een toestand van laminaire stroming met een Reynoldsgetal Re < 100 wordt de stroming van de geneesmiddeloplossing gedomineerd door stroperige krachten. Volgens de gewijzigde Hagen-Poiseuille-vergelijking wordt het volumetrische debiet Q door de naaldbuis gegeven door Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), waarbij D de binnendiameter is en d de diameter van de naaldkern (indien aanwezig), en μ de dynamische viscositeit. Voor een veelgebruikte 27G-naald (binnendiameter 0,21 mm) onder standaard stuwkracht is de stroomsnelheid van de waterige oplossing ongeveer 0,15 ml/s, terwijl de stroomsnelheid van een suspensie met een viscositeit van 50 cP daalt tot 0,03 ml/s. Op dit punt moet een 22G-naald (binnendiameter 0,41 mm) worden gebruikt om een ​​redelijke injectietijd te behouden.

Het oppervlaktespanningseffect kan niet worden genegeerd in stromingen op micro-schaal. Het gebogen vloeistofoppervlak dat in een injectiespuit wordt gevormd, genereert een extra druk ΔP=2 cosθ/r, waarbij de oppervlaktespanningscoëfficiënt is (72 mN/m voor het water-luchtgrensvlak), θ de contacthoek is en r de binnenradius van de buis is. Wanneer r=0.1 mm kan deze druk 1,4 kPa bereiken, wat overeenkomt met 10 cm waterkolom. Hydrofiele coatings (met een contacthoek van 30-40 graden ) kunnen deze weerstand met 20% verminderen, maar kunnen de eiwitadsorptie verhogen. Het nieuw ontwikkelde biomimetische super{14}}gladde oppervlak kan, door de smerende vloeistoflaag door micro-nanostructuren op te sluiten, een vrijwel wrijvingsloze stroming bereiken met een contacthoek van bijna 0 graden.

Het onderzoek naar de dynamiek van de straalstroom van de naaldpunt geeft aan dat nadat het vloeibare medicijn de naaldpunt verlaat, het drie typische stroomtoestanden vormt: continue straal (We > 100), druppelstroom (4 < We < 100) en verstoven stroom (We < 4). Het Webergetal We=ρv²d/ vertegenwoordigt de verhouding tussen traagheidskracht en oppervlaktespanning. De optimale toestand voor insuline-injectie is de druppelstroom met We=20 - 40, waarbij de druppeldiameter ongeveer 0.5 - 0.8 mm bedraagt, waardoor een ideaal afzettingsgebied in het weefsel wordt gevormd. Uit computersimulatie van de vloeistofdynamica blijkt dat de diffusiehoek van de vloeistofstroom die wordt gegenereerd door de naaldpunt met vijf-hellingen 8 - 12 graden is, terwijl die van de traditionele naaldpunt met schuine hoeken 15 - 20 graad is. Dit geeft aan dat het nieuwe ontwerp het verspreidingsbereik van het vloeibare medicijn met 40% kan verminderen.

De niet-Newtoniaanse eigenschappen van bloed tijdens de afname vereisen een speciale behandeling. Bloed vertoont afschuifverdunningsgedrag bij lage afschuifsnelheden, waarbij de schijnbare viscositeit daalt van 4-5 cP in rust naar 3-3,5 cP bij een afschuifsnelheid van 100 s⁻¹. Het ontwerp van vacuümbloedafnamesystemen moet nauwkeurig worden afgestemd: voor bloed met een hematocriet van 45%, bij een 21G-naald en -40 kPa negatieve druk, is de afschuifsnelheid ongeveer 3000 s⁻¹. Op dit punt is het bloed ongeveer een Newtoniaanse vloeistof (met een viscositeit van 3,2 cP) en kan de stroomsnelheid 40 ml/min bereiken. Als een fijne naald van 25G wordt gebruikt, neemt de afschuifsnelheid toe tot 12.000 s⁻¹ bij dezelfde negatieve druk, wat door afschuiving geïnduceerde activering van bloedplaatjes kan veroorzaken.

Een nauwe interactie tussen medicijnen is cruciaal voor stabiliteit. Geneesmiddelen op basis van eiwitten- hechten zich aan metalen oppervlakken volgens de Langmuir-isotherm. De maximale adsorptiecapaciteit van 316L roestvrij staal voor insuline bedraagt ​​ongeveer 0,8 ug/cm². Een siliconencoating kan de adsorptie verminderen tot 0,2 ug/cm², maar er kunnen siliconenoliedruppels vrijkomen (met een diameter van 0.5 - 5 μm), waardoor een immuunreactie ontstaat. De nieuw ontwikkelde covalent gebonden polyethyleenglycol (PEG) coating vormt een moleculaire borstel van 2-3 nm door zwavel-goudbinding op de binnenwand van de naaldbuis, wat resulteert in een eiwitadsorptiecapaciteit van minder dan 0,05 ug/cm² en geen uitloogbare stoffen.

Turbulentiebeheersing is van cruciaal belang voor bepaalde medicijnen. Geneesmiddelen met grote moleculen, zoals monoklonale antilichamen, kunnen conformationele veranderingen ondergaan wanneer de afschuifsnelheid groter is dan 10.000 s⁻¹. De nieuwe laminaire naald bevat spiraalvormige geleideplaten in het lumen, waardoor de stromingsenergie wordt omgezet in kinetische rotatie-energie, waardoor de afschuifsnelheid onder de 5.000 s⁻¹ blijft. Dierproeven hebben aangetoond dat nadat trastuzumab via de traditionele naald werd geïnjecteerd, de antigeenbindende activiteit met 8% afnam, terwijl deze met slechts 2% afnam bij injectie via de laminaire naald. Dit ontwerp vermindert ook cavitatieverschijnselen en vermindert de vorming van microbellen van de conventionele 0,3 ml/min naar 0,05 ml/min.