Att spruta en vattenstråle genom en droppe vätska kan låta som roligt, men om det görs exakt, och grundligt förstått, den stänkiga övningen kan hjälpa forskare att identifiera sätt att injicera vätskor som vacciner genom huden utan att använda nålar.

Det är motivationen bakom en ny studie av ingenjörer vid MIT och University of Twente i Nederländerna. Studien går ut på att skjuta små vattenstrålar genom många sorters droppar, hundratals gånger om, med hjälp av höghastighetskameror för att fånga varje vattenstöt. Teamets videor påminner om de berömda stroboskopfoton av en kula som genomborrar ett äpple, pionjär av MIT:s Harold "Doc" Edgerton.

Edgertons bilder tog sekventiella bilder av en kula som sköts genom ett äpple, i explosiv detalj. MIT-teamets nya videor, av en vattenstråle som avfyras genom en droppe, avslöjar förvånansvärt liknande slagdynamik. Eftersom dropparna i deras experiment är genomskinliga, forskarna kunde också spåra vad som händer inuti en droppe när en jet skjuts igenom.

Baserat på deras experiment, forskarna utvecklade en modell som förutsäger hur en vätskestråle kommer att påverka en droppe med en viss viskositet och elasticitet. Eftersom mänsklig hud också är ett viskoelastiskt material, de säger att modellen kan vara inställd för att förutsäga hur vätskor skulle kunna levereras genom huden utan användning av nålar.

"Vi vill utforska hur nålfri injektion kan göras på ett sätt som minimerar skador på huden, " säger David Fernandez Rivas, en forskningsfilial vid MIT och professor vid University of Twente. "Med dessa experiment, vi får all denna kunskap, för att informera om hur vi kan skapa jetstrålar med rätt hastighet och form för att injicera i huden."

Rivas och hans medarbetare, inklusive Ian Hunter, George N. Hatsopoulos professor i termodynamik vid MIT, har publicerat sina resultat i tidskriften Mjuk materia .

Penetrerande porer

Nuvarande nålfria injektionssystem använder olika metoder för att driva ett läkemedel med hög hastighet genom hudens naturliga porer. Till exempel, MIT spinout Portal Instruments, som har sprungit ur Hunters grupp, centrerar på en design som använder ett elektromagnetiskt ställdon för att mata ut tunna strömmar av medicin genom ett munstycke med hastigheter som är tillräckligt höga för att penetrera genom huden och in i den underliggande muskeln.

Hunter samarbetar med Rivas om ett separat nålfritt injektionssystem för att leverera mindre volymer till grundare hudlager, liknande djupen där tatueringar är färgade.

"Denna regim innebär olika utmaningar men ger också möjligheter till personlig medicin, säger Rivas, som säger att mediciner som insulin och vissa vacciner kan vara effektiva när de tillförs i mindre doser till hudens ytliga lager.

Rivas design använder en lågeffektlaser för att värma upp ett mikrofluidiskt chip fyllt med vätska. På samma sätt som att koka en vattenkokare, lasern skapar en bubbla i vätskan som trycker vätskan genom chipet och ut genom ett munstycke, vid höga hastigheter.

Rivas har tidigare använt genomskinligt gelatin som stand-in för hud, för att identifiera hastigheter och volymer av vätska som systemet effektivt kan leverera. Men han insåg snabbt att det gummiartade materialet är svårt att exakt återge.

"Även i samma labb och efter samma recept, du kan ha variationer i ditt recept, så att om du försöker hitta den kritiska spänningen eller hastigheten din jet måste ha för att ta sig igenom huden, ibland har du värden med en eller två storleksordningar från varandra, " säger Rivas.

Bortom kulan

Teamet bestämde sig för att i detalj studera ett enklare injektionsscenario:en vattenstråle, avfyras i en suspenderad droppe vatten. Vattnets egenskaper är mer kända och kan kalibreras mer noggrant jämfört med gelatin.

I den nya studien, teamet satte upp ett laserbaserat mikrofluidsystem och avfyrade tunna vattenstrålar på en enda vattendroppe, eller "hänge, " hänger från en vertikal spruta. De varierade viskositeten för varje hängsmycke genom att tillsätta vissa tillsatser för att göra det tunt som vatten, eller tjock som honung. De spelade sedan in varje experiment med höghastighetskameror.

Spelar upp videorna vid 50, 000 bilder per sekund, forskarna kunde mäta hastigheten och storleken på den vätskestråle som punkterade och ibland genomborrade hänget. Experimenten avslöjade intressanta fenomen, t.ex. tillfällen när en jet släpades tillbaka in i ett hänge, på grund av hängets viskoelasticitet. Ibland genererade strålen också luftbubblor när den genomborrade hänget.

"Att förstå dessa fenomen är viktigt för om vi injicerar i huden på detta sätt, vi vill undvika, säga, föra in luftbubblor i kroppen, " säger Rivas.

Forskarna försökte utveckla en modell för att förutsäga de fenomen de såg i labbet. De hämtade inspiration från Edgertons kulhåliga äpplen, som verkade liknande, åtminstone utåt, till lagets jetgenomborrade droppar.

De började med en okomplicerad ekvation för att beskriva energin hos en kula som avfyrades genom ett äpple, anpassa ekvationen till ett vätskebaserat scenario, till exempel genom att införliva effekten av ytspänning, som inte har någon effekt i ett fast ämne som ett äpple men är den huvudsakliga kraften som kan hindra en vätska från att bryta isär. De arbetade under antagandet att som en kula, den avfyrade strålen skulle bibehålla en cylindrisk form. De fann att denna enkla modell ungefär approximerade dynamiken de observerade i sina experiment.

Men videorna visade tydligt att jetplanets form, när den penetrerade ett hänge, var mer komplex än en enkel cylinder. Så, forskarna utvecklade en andra modell, baserat på en känd ekvation av fysikern Lord Rayleigh, som beskriver hur formen på en kavitet förändras när den rör sig genom en vätska. De modifierade ekvationen för att gälla en vätskestråle som rör sig genom en vätskedroppe, och fann att denna andra modell gav en mer exakt representation av vad de observerade.

"Denna nya metod att generera mikrodroppar med hög hastighet är mycket viktig för framtiden för nålfri läkemedelsleverans, "Säger Hunter. "En förståelse för hur dessa mycket snabbrörliga mikrodroppar interagerar med stationära vätskor med olika viskositet är ett viktigt första steg för att modellera deras interaktion med ett brett spektrum av vävnadstyper."

Teamet planerar att utföra fler experiment, använda hängsmycken med egenskaper som är ännu mer som hudens. Resultaten från dessa experiment kan hjälpa till att finjustera modellerna för att begränsa de optimala förhållandena för att injicera läkemedel, eller till och med färgtatueringar, utan att använda nålar.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.