一滴液体喷射出水流的研究听起来可能是一种无聊的乐趣,但是这种飞溅的运动可以帮助科学家开发出不使用针头就可以通过皮肤注射疫苗等液体的方法。


这就是麻省理工学院和荷兰特温特大学的工程师进行的一项新研究背后的动机。该研究涉及通过多种水滴喷射小水流数百次,使用高速摄像机捕捉每一次水流冲击。该团队的视频让人想起由麻省理工学院的哈罗德·“博士”·埃哲顿 (Harold "Doc" Edgerton) 开创的著名的子 弹穿透苹果的频闪照片。


不用针头就可以注射疫苗?MIT的团队可以做到

关于水射流撞击液滴的新研究类似于 Harold “Doc” Edgerton 拍摄的子 弹穿过苹果的高速照片。分析可以帮助调整无针注射系统。图片来源:麻省理工学院


Edgerton 的图像捕捉了子 弹穿过苹果的连续图像,具有爆 炸性的细节。麻省理工学院团队的新视频,水射流穿过水滴,揭示了惊人的相似冲击动力学。由于实验中的液滴是透明的,研究人员还能够追踪喷射射流时液滴内部发生的情况。


根据他们的实验,研究人员开发了一个模型,可以预测流体射流将如何影响具有特定粘度和弹性的液滴。由于人体皮肤也是一种粘弹性材料,他们说该模型可能会被调整以预测流体如何在不使用针头的情况下通过皮肤输送。


麻省理工学院研究附属机构、特温特大学教授戴维·费尔南德斯·里瓦 斯 (David Fernandez Rivas) 说:“我们想探索如何以最大限度减少对皮肤损伤的方式进行无针注射。通过这些实验,我们获得了所有这些知识,以告知我们如何以正确的速度和形状制造射流以注入皮肤。”


里瓦 斯和他的合作者,包括麻省理工学院热力学乔治·N·哈索普洛斯教授伊恩·亨特,已经在软物质杂志上发表了他们的研究结果。


渗透毛孔


当前的无针注射系统使用各种方式将药物高速推进皮肤的天然毛孔。例如,MIT 衍生出的 Portal Instruments 是从 Hunter 的团队中衍生出来的,其设计中心是使用电磁致动器以足够高的速度通过喷嘴喷射细流药物,以穿透皮肤并进入下面的肌肉。


Hunter 正在与 Rivas 合作开发一个单独的无针注射系统,将较小的体积输送到皮肤的较浅层,类似于纹身上墨的深度。


不用针头就可以注射疫苗?MIT的团队可以做到


“这种制度带来了不同的挑战,但也为个性化医疗提供了机会,胰岛素和某些疫苗等药物在以较小剂量输送到皮肤表层时可能会有效。”里瓦 斯说。


Rivas 的设计使用低功率激光来加热充满液体的微流控芯片。类似于煮沸一壶水,激光在流体中产生气泡,推动液体高速通过芯片并通过喷嘴流出。


Rivas 之前曾使用透明明胶作为皮肤的替代品,以识别系统可能有效输送的液体的速度和体积。但他很快意识到橡胶材料很难精确复制。


“即使在同一个实验室并遵循相同的配方,你的配方也可以有变化,所以如果你试图找到你的喷射必须穿过皮肤的临界压力或速度,有时你的值相差一两个数量级,”里瓦 斯说。


超越子 弹


该团队决定详细研究一个更简单的注入场景:喷射水流,射入悬浮的水滴中。与明胶相比,水的特性更为人所知,并且可以更仔细地校准。


在这项新研究中,该团队建立了一个基于激光的微流体系统,并向悬挂在垂直注射器上的单个水滴或“垂饰”喷射出细水流。他们通过添加某些添加剂来改变每个吊坠的粘度,使其像水一样稀,或像蜂蜜一样浓。然后他们用高速摄像机记录了每个实验。


以每秒 50,000 帧的速度回放视频,研究人员能够测量穿刺并有时直接刺穿吊坠的液体射流的速度和大小。实验揭示了有趣的现象,例如由于吊坠的粘弹性,喷射流被拖回吊坠的情况。有时,射流在刺穿吊坠时也会产生气泡。


“了解这些现象很重要,因为如果我们以这种方式注射到皮肤中,我们希望避免将气泡带入体内,”里瓦 斯说。


研究人员希望开发一个模型来预测他们在实验室中看到的现象。他们从 Edgerton 的子 弹穿孔苹果中获得灵感,这些苹果至少在外观上与团队的喷射穿孔水滴相似。


他们从一个简单的方程开始,描述子 弹射穿苹果的能量,将该方程应用于基于流体的场景,例如通过结合表面张力的影响,表面张力对像苹果这样的固体没有影响,但可以防止流体破裂的主要力量。他们的工作假设是,像子 弹一样,发射的射流将保持圆柱形。他们发现这个简单的模型大致近似于他们在实验中观察到的动力学。


但视频清楚地表明,射流穿透吊坠时的形状比简单的圆柱体更复杂。因此,研究人员基于物理学家瑞利勋爵的一个已知方程开发了第二个模型,该模型描述了空腔在液体中移动时的形状如何变化。他们修改了方程以应用于穿过液滴的液体射流,并发现第二个模型更准确地表示了他们所观察到的情况。


“这种产生高速微滴的新方法对未来无针给药非常重要,”亨特说:“了解这些快速移动的微滴如何与不同粘度的静止液体相互作用是模拟它们与各种组织类型相互作用的重要第一步。”


该团队计划进行更多实验,使用特性更像皮肤的吊坠。这些实验的结果可以帮助微调模型,以缩小注射毒 品的最佳条件,甚至在不使用针头的情况下给纹身上墨。



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