Lanzar un chorro de agua a través de una gota de líquido puede parecer una diversión ociosa, pero si se hace con precisión, y entendido a fondo, El ejercicio llamativo podría ayudar a los científicos a identificar formas de inyectar líquidos como vacunas a través de la piel sin usar agujas.

Esa 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 gotitas, cientos de veces, utilizando cámaras de alta velocidad para capturar cada impacto acuoso. Los videos del equipo recuerdan las famosas fotografías con luz estroboscópica de una bala perforando una manzana, iniciado por Harold "Doc" Edgerton del MIT.

Las imágenes de Edgerton capturaron imágenes secuenciales de una bala disparada a través de una manzana, en detalle explosivo. Los nuevos videos del equipo del MIT, de un chorro de agua disparado a través de una gota, revelan dinámicas de impacto sorprendentemente similares. Como las gotas de sus experimentos son transparentes, Los investigadores también pudieron rastrear lo que sucede dentro de una gota cuando se dispara un chorro.

Basado en sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo que predice cómo un chorro de fluido impactará en una gota de cierta viscosidad y elasticidad. Como la piel humana también es un material viscoelástico, dicen que el modelo puede ajustarse para predecir cómo se pueden administrar los líquidos a través de la piel sin el uso de agujas.

"Queremos explorar cómo se puede realizar una inyección sin aguja de manera que se minimice el daño a la piel, "dice David Fernandez Rivas, investigador afiliado al MIT y profesor de la Universidad de Twente. "Con estos experimentos, estamos obteniendo todo este conocimiento, para informar cómo podemos crear chorros con la velocidad y la forma adecuadas para inyectar en la piel ".

Rivas y sus colaboradores, incluido Ian Hunter, el profesor George N. Hatsopoulos de termodinámica en el MIT, han publicado sus resultados en la revista Materia blanda .

Poros penetrantes

Los actuales sistemas de inyección sin aguja utilizan varios medios para impulsar un fármaco a alta velocidad a través de los poros naturales de la piel. Por ejemplo, Instrumentos de portal spinout del MIT, que ha surgido del grupo de Hunter, se centra en un diseño que utiliza un actuador electromagnético para expulsar finas corrientes 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 colaborando con Rivas en un sistema de inyección sin aguja independiente para administrar volúmenes más pequeños en las capas más superficiales de la piel. similar a las profundidades en las que se entintan los tatuajes.

"Este régimen plantea diferentes desafíos pero también brinda oportunidades para la medicina personalizada, "dice Rivas, quien dice que los medicamentos como la insulina y ciertas vacunas pueden ser efectivos cuando se administran en dosis más pequeñas a 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 sale a través de una boquilla, a altas velocidades.

Rivas ha utilizado anteriormente gelatina transparente como sustituto de la piel, para identificar velocidades y volúmenes de fluido que el sistema podría entregar de manera efectiva. Pero rápidamente se dio cuenta de que el material gomoso es difícil de reproducir con precisión.

"Incluso en el mismo laboratorio y siguiendo las mismas recetas, puedes tener variaciones en tu receta, de modo que si intenta encontrar el esfuerzo crítico o la velocidad que su jet debe tener para atravesar la piel, a veces tienes valores separados por una o dos magnitudes, "Dice Rivas.

Mas alla de la bala

El equipo decidió estudiar en detalle un escenario de inyección más simple:un chorro de agua, disparado en una gota de agua suspendida. Las propiedades del agua son más conocidas y pueden calibrarse con más cuidado en comparación con 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, "colgando de una jeringa vertical. Variaron la viscosidad de cada colgante agregando ciertos aditivos para hacerlo tan delgado como el agua, o espesa como la miel. Luego grabaron cada experimento con cámaras de alta velocidad.

Reproducción de los videos a los 50, 000 cuadros por segundo, los investigadores pudieron medir la velocidad y el tamaño del chorro de líquido que perforaba y, a veces, atravesaba directamente el colgante. Los experimentos revelaron fenómenos interesantes, como los casos en que un jet fue arrastrado hacia un colgante, debido a la viscoelasticidad del colgante. A veces, el chorro también generaba burbujas de aire al perforar el colgante.

"Comprender estos fenómenos es importante porque si inyectamos en la piel de esta manera, queremos evitar, decir, traer burbujas de aire al cuerpo, "Dice Rivas.

Los investigadores buscaron desarrollar un modelo para predecir los fenómenos que estaban viendo en el laboratorio. Se inspiraron en las manzanas perforadas por las balas de Edgerton, que parecía similar, al menos exteriormente, a las gotas perforadas por el jet del equipo.

Comenzaron con una ecuación sencilla para describir la energía de una bala disparada a través de una manzana, adaptar la ecuación a un escenario basado en fluidos, por ejemplo, incorporando el efecto de la tensión superficial, que no tiene ningún efecto en un sólido como una manzana, pero es la fuerza principal que puede evitar que un fluido se rompa. Trabajaron bajo el supuesto de que, como una bala, el chorro disparado mantendría una forma cilíndrica. Descubrieron que este modelo simple se aproximaba aproximadamente a la dinámica que observaron en sus experimentos.

Pero los videos mostraron claramente que la forma del jet, como penetró un colgante, era más complejo que un simple cilindro. Entonces, los investigadores desarrollaron un segundo modelo, basado en una ecuación conocida del 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 mueve a través de una gota de líquido, y encontraron que este segundo modelo producía una representación más precisa de lo que observaban.

"Este nuevo método de generar microgotas de alta velocidad es muy importante para el futuro de la administración de fármacos sin aguja, "Dice Hunter. La comprensión de cómo estas microgotas de movimiento muy rápido interactúan con líquidos estacionarios de diferentes viscosidades es un primer paso esencial para modelar su interacción con una amplia gama de tipos de tejidos".

El equipo planea realizar más experimentos, utilizando colgantes con propiedades aún más parecidas a las de la piel. Los resultados de estos experimentos podrían ayudar a afinar los modelos para reducir las condiciones óptimas para inyectarse drogas. o incluso entintar tatuajes, sin usar agujas.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.