這一結(jié)果可能有助于工程師開發(fā)一種不用針頭注射藥物的方法。

從一滴液體中噴射水聽起來可能是無聊的樂趣，但如果做得，并理解透徹，這種濺水的運動可以幫助科學(xué)家找到不使用針頭通過皮膚注射疫苗等液體的方法。

這就是麻省理工學(xué)院和荷蘭特文特大學(xué)的工程師們進(jìn)行一項新研究的動機(jī)。這項研究包括通過各種各樣的水滴發(fā)射小型水射流，數(shù)百次，使用高速攝像機(jī)捕捉每一次水的撞擊。這個團(tuán)隊的視頻讓人想起了的子彈穿蘋果的頻閃燈照片，這是由麻省理工學(xué)院的哈羅德·埃哲頓博士的。

埃哲頓的圖像捕捉到了子彈穿過蘋果的連續(xù)圖像，以及爆炸細(xì)節(jié)。麻省理工學(xué)院研究小組的新視頻顯示，水射流通過水滴噴射，揭示了驚人的相似的碰撞動力學(xué)。由于他們實驗中的液滴是透明的，研究人員還能夠跟蹤當(dāng)噴射氣流穿過液滴時液滴內(nèi)部發(fā)生了什么。

基于他們的實驗，研究人員開發(fā)了一個模型，可以預(yù)測流體噴射如何影響具有一定粘度和彈性的液滴。由于人類皮膚也是一種粘彈性材料，他們說這個模型可以調(diào)整來預(yù)測液體如何在不使用針頭的情況下通過皮膚輸送。

“我們想探索如何以一種小化皮膚損傷的方式進(jìn)行無針注射，”麻省理工學(xué)院(MIT)研究員、特溫特大學(xué)(University of Twente)教授戴維·費爾南德斯·里瓦斯(David Fernandez Rivas)說?！巴ㄟ^這些實驗，我們獲得了所有這些知識，以了解我們?nèi)绾我哉_的速度和形狀創(chuàng)建噴射物，注入皮膚。”

里瓦斯和他的合作者，包括麻省理工學(xué)院熱力學(xué)教授伊恩·亨特，已經(jīng)在《軟物質(zhì)》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

滲透毛孔

目前的無針注射系統(tǒng)使用各種方法來推動藥物高速通過皮膚的天然毛孔。例如，由亨特的團(tuán)隊衍生而來的麻省理工學(xué)院(MIT)分支機(jī)構(gòu)門戶儀器(Portal Instruments)，專注于一種設(shè)計，它使用一個電磁致動器，以足夠高的速度通過噴嘴噴射出細(xì)細(xì)的藥物流，以穿透皮膚和下面的肌肉。

亨特正與里瓦斯合作開發(fā)一種獨立的無針注射系統(tǒng)，將更小的體積輸送到皮膚的較淺層，類似于紋身的深度。

“這種制度帶來了不同的挑戰(zhàn)，但也為個性化醫(yī)療提供了機(jī)會，”里瓦斯說。他說，胰島素和某些疫苗等藥物在小劑量注射到皮膚表層時可以有效。

里瓦斯的設(shè)計使用低功率激光加熱充滿流體的微流控芯片。類似于煮沸一壺水，激光在液體中產(chǎn)生氣泡，推動液體通過芯片，并通過噴嘴以高速流出。

里瓦斯之前曾用透明明膠代替皮膚，以確定系統(tǒng)可能有效輸送的流體的速度和體積。但他很快意識到，這種橡膠材料很難地復(fù)制。

里瓦斯說:“即使是在同一個實驗室里，按照同樣的食譜，你的食譜也會有所不同，因此，如果你試圖找到射流穿過皮膚時的臨界壓力或速度，有時你的數(shù)值會相差一到兩個量級?！?/p>

超出了子彈

研究小組決定詳細(xì)研究一種更簡單的注入方案:噴射一股水，射入懸浮的水滴中。與明膠相比，水的特性更廣為人知，可以更仔細(xì)地校準(zhǔn)。

在這項新研究中，研究小組建立了一個基于激光的微流體系統(tǒng)，并向垂直注射器上的一個水滴(或“垂飾”)噴射細(xì)水柱。他們通過添加某些添加劑來改變每個吊墜的粘度，使其像水一樣薄，或像蜂蜜一樣厚。然后他們用高速攝像機(jī)記錄下每個實驗。

以每秒5萬幀的速度回放這些視頻，研究人員就能夠測量液體噴射的速度和大小，這些液體噴射穿透，有時甚至直接穿透吊墜。這些實驗揭示了一些有趣的現(xiàn)象，比如，由于吊墜的粘彈性，當(dāng)噴射物被拖回吊墜中時。有時噴氣機(jī)在刺穿吊墜時也會產(chǎn)生氣泡。

里瓦斯說:“了解這些現(xiàn)象很重要，因為如果我們以這種方式向皮膚注射，我們希望避免，比如說，將氣泡帶入身體?！?/p>

研究人員試圖開發(fā)一個模型來預(yù)測他們在實驗室中看到的現(xiàn)象。他們的靈感來自于埃哲頓發(fā)現(xiàn)的被子彈刺穿的蘋果，至少從表面上看，它們與研究小組發(fā)現(xiàn)的被射流刺穿的水滴很相似。

他們開始用一個簡單的方程來描述一顆子彈發(fā)射的能量通過一個蘋果,方程適應(yīng)液相場景中,例如通過加入表面張力的影響,也沒有影響固體像蘋果但是是主要的力量可以阻止流體分裂。他們的工作假設(shè)，像子彈一樣，發(fā)射的噴射會保持圓柱形。他們發(fā)現(xiàn)這個簡單的模型大致接近他們在實驗中觀察到的動態(tài)。

但視頻清楚地顯示，飛機(jī)的形狀，因為它穿透了一個垂飾，比一個簡單的圓柱體更復(fù)雜。因此，研究人員根據(jù)物理學(xué)家Lord Rayleigh的已知方程開發(fā)了第二個模型，描述了空腔在液體中移動時形狀的變化。他們修改了這個方程，使之適用于通過液滴的液體噴射。他們發(fā)現(xiàn)，第二個模型對他們所觀察到的情況產(chǎn)生了更的描述。

“這種產(chǎn)生高速微滴的新方法對未來的無針?biāo)幬镙斔头浅Ｖ匾焙嗵卣f。“了解這些快速移動的微滴是如何與不同粘度的固定液體相互作用的，是建模它們與各種組織類型相互作用的關(guān)鍵步?！?/p>

該團(tuán)隊計劃進(jìn)行更多的實驗，使用特性更像皮膚的垂飾。這些實驗的結(jié)果可以幫助微調(diào)模型，以縮小在不使用針頭的情況下注射甚至紋身的條件范圍。

這項研究得到了歐洲研究理事會在歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計劃下的部分支持。