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Inyectar un chorro de agua en una gota de líquido puede parecer divertido, pero si se hace con precisión y se comprende correctamente, el ejercicio de salpicaduras podría ayudar a los científicos a identificar formas de inyectar líquidos como vacunas a través de la piel sin el uso de agujas.
Esta es la motivación detrás de un nuevo estudio realizado por ingenieros del MIT y la Universidad de Twente en los Países Bajos. El estudio implica disparar pequeños chorros de agua a través de muchos tipos de gotas, cientos de veces, utilizando cámaras de alta velocidad para capturar cada impacto de agua. Los videos del equipo recuerdan las famosas fotografías con luz estroboscópica de una bala perforando una manzana, lanzadas por Harold "Doc" Edgerton del MIT.
Las imágenes de Edgerton capturaron imágenes secuenciales de una bala disparada a través de una manzana, con detalles explosivos. Los nuevos videos del equipo del MIT, de un chorro de agua disparado a través de una gota, revelan una dinámica de impacto sorprendentemente similar. Debido a que las gotas en sus experimentos son transparentes, los investigadores también pudieron rastrear lo que sucede dentro de una gota cuando se dispara un chorro.
Basándose en sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo que predice el impacto de un chorro de fluido en una gota de cierta viscosidad y elasticidad. Dado que la piel humana también es un material viscoelástico, dicen que el modelo se puede ajustar para predecir cómo se administrarán los fluidos a través de la piel sin el uso de agujas.
"Queremos explorar cómo se puede realizar la inyección sin aguja de una manera que minimice el daño a la piel", dice David Fernández Rivas, investigador afiliado del MIT y profesor de la Universidad de Twente. "Con estos experimentos, obtenemos todo este conocimiento para explicar cómo podemos crear chorros con la velocidad y la forma adecuadas para inyectar en la piel".
Rivas y sus colegas, incluido Ian Hunter, profesor de termodinámica George N. Hatsopoulos en el MIT, publicaron sus hallazgos en la revista. Materia blanda.
Poros penetrantes
Los sistemas de inyección sin aguja actuales utilizan una variedad de medios para impulsar un fármaco a alta velocidad a través de los poros naturales de la piel. Por ejemplo, el lanzamiento de MIT Portal Instruments, del grupo Hunter, se centra en un diseño que utiliza un actuador electromagnético para expulsar finos chorros de medicamento a través de una boquilla a velocidades lo suficientemente altas como para penetrar a través de la piel y en el músculo subyacente.
Hunter está trabajando con Rivas en un sistema de inyección sin aguja por separado para entregar volúmenes más pequeños en capas de piel menos profundas, similar a las profundidades a las que se entintan los tatuajes.
"Este régimen plantea diferentes desafíos, pero también ofrece oportunidades para la medicina personalizada", dice Rivas, quien dice que medicamentos como la insulina y algunas vacunas pueden ser efectivos cuando se administran en dosis más pequeñas en las capas superficiales de la piel.
El diseño de Rivas utiliza un láser de baja potencia para calentar un chip microfluídico lleno de líquido. Similar a hervir un hervidor de agua, el láser crea una burbuja en el fluido que empuja el líquido a través del chip y a través de una boquilla, a alta velocidad.
Rivas ha utilizado previamente gelatina transparente como sustituto de la piel, para identificar las velocidades y los volúmenes de líquido que el sistema podría entregar de manera efectiva. Pero pronto se dio cuenta de que el material gomoso es difícil de reproducir con precisión.
“Incluso en el mismo laboratorio y siguiendo las mismas recetas, puede tener variaciones en su receta, por lo que si está tratando de encontrar el estrés crítico o la velocidad que su spray necesita para atravesar la piel, a veces tiene problemas. valores separados por una o dos magnitudes, dice Rivas.
Más allá de la pelota
El equipo decidió estudiar en detalle un escenario de inyección más simple: un chorro de agua, disparado en una gota de agua en suspensión. Las propiedades del agua son más conocidas y pueden calibrarse mejor que las de la gelatina.
En el nuevo estudio, el equipo instaló un sistema de microfluidos basado en láser y disparó finos chorros de agua a una sola gota de agua, o "colgante", suspendida de una jeringa vertical. Variaron la viscosidad de cada colgante agregando ciertos aditivos para hacerlo tan delgado como el agua o espeso como la miel. Luego grabaron cada experimento con cámaras de alta velocidad.
Al reproducir los videos a 50.000 fotogramas por segundo, los investigadores pudieron medir la velocidad y el tamaño del chorro de líquido que atravesó y, a veces, pasó directamente a través del colgante. Los experimentos revelaron algunos fenómenos interesantes, como los casos en los que un chorro se volvió a introducir en un colgante, debido a la viscoelasticidad del colgante. A veces, el chorro también generaba burbujas de aire cuando perforaba el colgante.
“Comprender estos fenómenos es importante porque si inyectamos en la piel de esta forma, queremos evitar, por ejemplo, introducir burbujas de aire en el cuerpo”, dice Rivas.
Los investigadores buscaron desarrollar un modelo para predecir los fenómenos que vieron en el laboratorio. Se inspiraron en las manzanas perforadas por las balas de Edgerton, que se parecían, al menos en apariencia, a las gotas perforadas por el jet del escuadrón.
Comenzaron con una ecuación simple para describir la energía de una bala disparada a través de una manzana, adaptando la ecuación a un escenario fluido, como incorporar el efecto de tensión superficial, que no tiene efecto en un sólido como una manzana pero es la fuerza principal. que puede evitar que un líquido se rompa. Trabajaron asumiendo que, como una bala, el chorro disparado conservaría una forma cilíndrica. Encontraron este patrón simple para aproximarse a la dinámica que observaron en sus experimentos.
Pero los videos mostraron claramente que la forma del chorro, al entrar en un colgante, era más compleja que un simple cilindro. Entonces, los investigadores desarrollaron un segundo modelo, basado en una ecuación conocida por el físico Lord Rayleigh, que describe cómo cambia la forma de una cavidad a medida que se mueve a través de un líquido. Modificaron la ecuación para aplicarla a un chorro de líquido que se movía a través de una gota de líquido y descubrieron que este segundo modelo producía una representación más precisa de lo que habían observado.
El equipo planea realizar más experimentos, utilizando colgantes con propiedades aún más cercanas a las de la piel. Los resultados de estos experimentos podrían ayudar a perfeccionar los modelos para perfeccionar las condiciones óptimas para inyectarse drogas, o incluso entintar tatuajes, sin el uso de agujas.
Esta investigación fue financiada en parte por el Consejo Europeo de Investigación en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.
