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

Ihonalainen injektiojärjestelmä on pohjimmiltaan mikrofluidilaite, joka noudattaa ainutlaatuisia kuljetuslakeja. Laminaarivirtaustilassa, jonka Reynoldsin luku Re < 100, lääkeliuoksen virtausta hallitsevat viskoosivoimat. Muokatun Hagen-Poiseuille-yhtälön mukaan tilavuusvirtaus Q neulaputken läpi saadaan kaavalla Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), missä D on sisähalkaisija ja d on neulan ytimen halkaisija (jos sellainen on) ja viskositeetti on. Yleisesti käytetylle 27G neulalle (sisähalkaisija 0,21 mm) vakiotyöntövoimalla vesiliuoksen virtausnopeus on noin 0,15 ml/s, kun taas suspension, jonka viskositeetti on 50 cP, virtausnopeus putoaa arvoon 0,03 ml/s. Tässä vaiheessa on käytettävä 22G neulaa (sisähalkaisija 0,41 mm) kohtuullisen injektioajan ylläpitämiseksi.

Pintajännitysvaikutusta ei voida jättää huomiotta mikro{0}}mittakaavavirroissa. Ruiskun sisään muodostunut kaareva nestepinta synnyttää lisäpaineen ΔP=2 cosθ/r, jossa on pintajännityskerroin (72 mN/m vesi-ilmarajapinnalle), θ on kosketuskulma ja r on putken sisäsäde. Kun r=0.1 mm, tämä paine voi olla 1,4 kPa, mikä vastaa 10 cm vesipatsasta. Hydrofiiliset pinnoitteet (kosketuskulma 30-40 astetta) voivat vähentää tätä vastusta 20 %, mutta voivat lisätä proteiinin adsorptiota. Äskettäin kehitetty biomimeettinen supersileä pinta, joka lukitsee voitelunestekerroksen mikronanorakenteiden läpi, voi saavuttaa lähes kitkattoman virtauksen kosketuskulman lähestyessä 0 astetta.

Neulan kärjen suihkuvirtauksen dynamiikkaa koskeva tutkimus osoittaa, että nestemäisen lääkkeen poistuttua neulan kärjestä se muodostaa kolme tyypillistä virtaustilaa: jatkuvan suihkun (We > 100), pisaravirtauksen (4 < We < 100) ja sumutetun virtauksen (We < 4). Weberin luku We=ρv²d/ edustaa inertiavoiman suhdetta pintajännitykseen. Insuliinin optimaalinen injektiotila on pisaravirtaus We=20 - 40:lla, jossa pisaran halkaisija on noin 0.5 - 0.8 mm, mikä muodostaa ihanteellisen kerrostumisalueen kudokseen. Laskennallinen nestedynamiikan simulaatio osoittaa, että viiden-kaltevan neulankärjen synnyttämän nestevirtauksen diffuusiokulma on 8 - 12 astetta, kun taas perinteisen kaltevan neulan kärjen diffuusiokulma on 15 - 20 astetta, mikä osoittaa, että uusi malli voi pienentää nestemäisen lääkkeen jakautumisaluetta 40 %.

Veren ei--newtonilaiset ominaisuudet keräämisen aikana vaativat erityiskäsittelyä. Veri ohenee leikkausnopeudella pienillä leikkausnopeuksilla, ja näennäinen viskositeetti putoaa 4-5 cP:stä levossa arvoon 3-3,5 cP leikkausnopeudella 100 s⁻¹. Tyhjiöverenkeräysjärjestelmien suunnittelu on sovitettava tarkasti yhteen: verelle, jonka hematokriitti on 45 %, 21G neulalla ja -40 kPa alipaineella, leikkausnopeus on noin 3000 s⁻¹. Tässä vaiheessa veri on suunnilleen newtonilaista nestettä (viskositeetti 3,2 cP) ja virtausnopeus voi olla 40 ml/min. Jos käytetään 25 G:n hienoa neulaa, leikkausnopeus kasvaa arvoon 12000 s-1 samalla alipaineella, mikä voi laukaista leikkauksen aiheuttaman verihiutaleiden aktivoitumisen.

Huumeiden-kapea vuorovaikutus on ratkaisevan tärkeää vakauden kannalta. Proteiini-pohjaiset lääkkeet kiinnittyvät metallipintoihin Langmuirin isotermin mukaisesti. 316 litran ruostumattoman teräksen suurin adsorptiokapasiteetti insuliinille on noin 0,8 ug/cm². Silikonipinnoite voi vähentää adsorption arvoon 0,2 ug/cm², mutta se voi vapauttaa silikoniöljypisaroita (halkaisijaltaan 0.5 - 5 μm), mikä laukaisee immuunivasteen. Äskettäin kehitetty kovalenttisesti sidottu polyetyleeniglykoli (PEG) pinnoite muodostaa 2-3 nm:n molekyyliharjan rikki-kultasidoksella neulaputken sisäseinään, jolloin proteiinin adsorptiokapasiteetti on alle 0,05 ug/cm² eikä liukenevia aineita.

Turbulenssin hallinta on ratkaisevan tärkeää tietyille lääkkeille. Suurimolekyyliset lääkkeet, kuten monoklonaaliset vasta-aineet, voivat käydä läpi konformaatiomuutoksia, kun leikkausnopeus on suurempi kuin 10 000 s-1. Uusi laminaarinen neula sisältää spiraalisia ohjauslevyjä ontelossa, joka muuntaa virtausenergian pyörimiskineettiseksi energiaksi pitäen siten leikkausnopeuden alle 5 000 s-1. Eläinkokeet ovat osoittaneet, että sen jälkeen, kun trastutsumabi injektoitiin perinteisen neulan kautta, antigeenin sitoutumisaktiivisuus laski 8 %, kun taas se laski vain 2 %, kun se injektoitiin laminaarisen neulan kautta. Tämä muotoilu vähentää myös kavitaatioilmiöitä ja vähentää mikrokuplien muodostumista tavanomaisesta 0,3 ml/min arvosta 0,05 ml/min.