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

Hệ thống tiêm dưới da về cơ bản là một thiết bị vi lỏng tuân theo các quy luật vận chuyển duy nhất. Ở trạng thái dòng chảy tầng có số Reynolds Re < 100, dòng chảy của dung dịch thuốc bị chi phối bởi lực nhớt. Theo phương trình Hagen-Poiseuille đã sửa đổi, tốc độ dòng thể tích Q qua ống kim được tính bằng Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), trong đó D là đường kính trong và d là đường kính của lõi kim (nếu có) và μ là độ nhớt động lực. Đối với kim 27G thường được sử dụng (đường kính trong 0,21 mm) với lực đẩy tiêu chuẩn, tốc độ dòng của dung dịch nước là khoảng 0,15 ml/s, trong khi tốc độ dòng của huyền phù có độ nhớt 50 cP giảm xuống 0,03 ml/s. Lúc này cần sử dụng kim 22G (đường kính trong 0,41 mm) để duy trì thời gian tiêm hợp lý.

Không thể bỏ qua hiệu ứng sức căng bề mặt trong các dòng quy mô vi mô. Bề mặt chất lỏng cong được hình thành bên trong ống tiêm tạo ra một áp suất bổ sung ΔP=2 cosθ/r, trong đó là hệ số căng bề mặt (72 mN/m đối với giao diện không khí-nước), θ là góc tiếp xúc và r là bán kính bên trong của ống. Khi r=0.1 mm, áp suất này có thể đạt tới 1,4 kPa, tương đương với 10 cm cột nước. Lớp phủ ưa nước (có góc tiếp xúc 30{13}}40 độ ) có thể làm giảm 20% điện trở này nhưng có thể làm tăng khả năng hấp phụ protein. Bề mặt siêu mịn mô phỏng sinh học mới được phát triển, bằng cách khóa lớp chất lỏng bôi trơn thông qua các cấu trúc micro-nano, có thể đạt được dòng chảy gần như không ma sát với góc tiếp xúc gần bằng 0 độ.

Nghiên cứu về động lực của dòng tia đầu kim chỉ ra rằng sau khi thuốc dạng lỏng rời khỏi đầu kim, nó hình thành ba trạng thái dòng điển hình: dòng tia liên tục (We > 100), dòng giọt nhỏ (4 < We < 100) và dòng nguyên tử hóa (We < 4). Số Weber We=ρv²d/ biểu thị tỷ số giữa lực quán tính và sức căng bề mặt. Trạng thái tối ưu để tiêm insulin là dòng chảy giọt với We=20 - 40, tại đó đường kính giọt xấp xỉ 0.5 - 0.8 mm, tạo thành vùng lắng đọng lý tưởng trong mô. Mô phỏng động lực học chất lỏng tính toán cho thấy góc khuếch tán của dòng chất lỏng được tạo ra bởi đầu kim dốc năm{10}} là 8 - 12 độ, trong khi góc khuếch tán của đầu kim dốc truyền thống là 15 - 20 độ, cho thấy thiết kế mới có thể giảm 40% phạm vi phân phối của thuốc dạng lỏng.

Các đặc tính-phi Newton của máu trong quá trình thu thập yêu cầu xử lý đặc biệt. Máu biểu hiện hành vi cắt mỏng ở tốc độ cắt thấp, với độ nhớt biểu kiến ​​giảm từ 4-5 cP khi ở trạng thái nghỉ xuống còn 3-3,5 cP ở tốc độ cắt là 100 s⁻¹. Thiết kế của hệ thống thu thập máu chân không cần phải phù hợp chính xác: đối với máu có hematocrit là 45%, ở kim 21G và áp suất âm -40 kPa, tốc độ cắt là khoảng 3000 s⁻¹. Tại thời điểm này, máu gần như là chất lỏng Newton (có độ nhớt 3,2 cP) và tốc độ dòng chảy có thể đạt tới 40 ml/phút. Nếu sử dụng kim mịn 25G, tốc độ cắt tăng lên 12000 s⁻¹ ở cùng áp suất âm, điều này có thể kích hoạt kích hoạt tiểu cầu do lực cắt gây ra.

Thuốc-tương tác hẹp là rất quan trọng cho sự ổn định. Thuốc dựa trên protein-dính vào bề mặt kim loại theo đường đẳng nhiệt Langmuir. Khả năng hấp phụ tối đa của thép không gỉ 316L đối với insulin là khoảng 0,8 ug/cm2. Lớp phủ silicon có thể làm giảm khả năng hấp phụ xuống 0,2 ug/cm2, nhưng nó có thể giải phóng các giọt dầu silicon (có đường kính 0.5 - 5 μm), gây ra phản ứng miễn dịch. Lớp phủ polyethylen glycol (PEG) liên kết cộng hóa trị mới được phát triển tạo thành chổi phân tử 2-3 nm bằng liên kết lưu huỳnh-vàng trên thành trong của ống kim, dẫn đến khả năng hấp phụ protein dưới 0,05 ug/cm² và không có chất nào có thể lọc được.

Kiểm soát nhiễu loạn là rất quan trọng đối với một số loại thuốc. Các loại thuốc phân tử lớn như kháng thể đơn dòng có thể trải qua những thay đổi về hình dạng khi tốc độ cắt lớn hơn 10.000 s⁻¹. Kim tầng mới kết hợp các tấm dẫn hướng xoắn ốc trong lòng, chuyển đổi năng lượng dòng chảy thành động năng quay, do đó giữ tốc độ cắt dưới 5.000 s⁻¹. Các thí nghiệm trên động vật cho thấy sau khi trastuzumab được tiêm qua kim truyền thống, hoạt tính liên kết kháng nguyên giảm 8%, trong khi chỉ giảm 2% khi tiêm qua kim tiêm. Thiết kế này cũng làm giảm hiện tượng tạo bọt và giảm việc tạo ra các vi bọt từ 0,3 ml/phút thông thường xuống còn 0,05 ml/phút.