Spruzzare un getto d'acqua attraverso una goccia di liquido può sembrare un ozioso divertimento, ma se fatto con precisione, e capito a fondo, l'esercizio vistoso potrebbe aiutare gli scienziati a identificare modi per iniettare fluidi come i vaccini attraverso la pelle senza usare aghi.

Questa è la motivazione alla base di un nuovo studio condotto da ingegneri del MIT e dell'Università di Twente nei Paesi Bassi. Lo studio prevede di sparare piccoli getti d'acqua attraverso molti tipi di goccioline, centinaia di volte, utilizzando telecamere ad alta velocità per catturare ogni impatto acquatico. I video del team ricordano le famose fotografie a luce stroboscopica di un proiettile che perfora una mela, introdotto da Harold "Doc" Edgerton del MIT.

Le immagini di Edgerton hanno catturato immagini sequenziali di un proiettile sparato attraverso una mela, con dettagli esplosivi. I nuovi video del team del MIT, di un getto d'acqua sparato attraverso una goccia, rivelano dinamiche di impatto sorprendentemente simili. Poiché le goccioline nei loro esperimenti sono trasparenti, i ricercatori sono stati anche in grado di monitorare ciò che accade all'interno di una gocciolina quando viene sparato un getto.

Sulla base dei loro esperimenti, i ricercatori hanno sviluppato un modello che prevede l'impatto di un getto di fluido su una gocciolina di una certa viscosità ed elasticità. Poiché anche la pelle umana è un materiale viscoelastico, dicono che il modello potrebbe essere messo a punto per prevedere come i fluidi potrebbero essere erogati attraverso la pelle senza l'uso di aghi.

"Vogliamo esplorare come l'iniezione senza ago può essere eseguita in modo da ridurre al minimo i danni alla pelle, "dice David Fernandez Rivas, un affiliato di ricerca al MIT e professore all'Università di Twente. "Con questi esperimenti, stiamo ottenendo tutta questa conoscenza, per informare su come possiamo creare getti con la giusta velocità e forma da iniettare nella pelle".

Rivas e i suoi collaboratori, compreso Ian Hunter, il Professore George N. Hatsopoulos in Termodinamica al MIT, hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Materia morbida .

Pori penetranti

Gli attuali sistemi di iniezione senza ago utilizzano vari mezzi per spingere un farmaco ad alta velocità attraverso i pori naturali della pelle. Ad esempio, Spinout del MIT Portal Instruments, che è scaturito dal gruppo di Hunter, è incentrato su un design che utilizza un attuatore elettromagnetico per espellere sottili flussi di medicinale attraverso un ugello a velocità sufficientemente elevate da penetrare attraverso la pelle e nel muscolo sottostante.

Hunter sta collaborando con Rivas su un sistema di iniezione senza ago separato per fornire volumi più piccoli negli strati più superficiali della pelle, simile alle profondità a cui vengono inchiostrati i tatuaggi.

"Questo regime pone sfide diverse ma offre anche opportunità per la medicina personalizzata, "dice Rivas, che afferma che farmaci come l'insulina e alcuni vaccini possono essere efficaci se somministrati in dosi più piccole agli strati superficiali della pelle.

Il design di Rivas utilizza un laser a bassa potenza per riscaldare un chip microfluidico pieno di fluido. Simile a far bollire un bollitore d'acqua, il laser crea una bolla nel fluido che spinge il liquido attraverso il chip e fuori attraverso un ugello, ad alte velocità.

Rivas ha già utilizzato la gelatina trasparente come sostituto della pelle, per identificare velocità e volumi di fluido che il sistema potrebbe effettivamente erogare. Ma si è subito reso conto che il materiale gommoso è difficile da riprodurre con precisione.

"Anche nello stesso laboratorio e seguendo le stesse ricette, puoi avere variazioni nella tua ricetta, in modo che se cerchi di trovare lo stress critico o la velocità il tuo getto deve passare attraverso la pelle, a volte hai valori distanti una o due magnitudini, " dice Riva.

Oltre il proiettile

Il team ha deciso di studiare in dettaglio uno scenario di iniezione più semplice:un getto d'acqua, sparato in una goccia d'acqua sospesa. Le proprietà dell'acqua sono più note e possono essere calibrate più accuratamente rispetto alla gelatina.

Nel nuovo studio, il team ha installato un sistema microfluidico basato su laser e ha sparato sottili getti d'acqua a una singola goccia d'acqua, o "ciondolo, " appesi a una siringa verticale. Variavano la viscosità di ogni ciondolo aggiungendo alcuni additivi per renderlo sottile come l'acqua, o denso come il miele. Hanno quindi registrato ogni esperimento con telecamere ad alta velocità.

Riprodurre i video a 50, 000 fotogrammi al secondo, i ricercatori sono stati in grado di misurare la velocità e le dimensioni del getto di liquido che ha perforato e talvolta perforato direttamente il ciondolo. Gli esperimenti hanno rivelato fenomeni interessanti, come i casi in cui un jet è stato trascinato di nuovo in un ciondolo, grazie alla viscoelasticità del ciondolo. A volte il getto generava anche bolle d'aria mentre perforava il ciondolo.

"Comprendere questi fenomeni è importante perché se iniettiamo nella pelle in questo modo, vogliamo evitare, dire, portando bolle d'aria nel corpo, " dice Riva.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare un modello per prevedere i fenomeni che stavano vedendo in laboratorio. Si sono ispirati alle mele forate da proiettili di Edgerton, che sembrava simile, almeno esteriormente, alle goccioline perforate dal getto della squadra.

Hanno iniziato con una semplice equazione per descrivere l'energia di un proiettile sparato attraverso una mela, adattando l'equazione a uno scenario fluidodinamico, ad esempio incorporando l'effetto della tensione superficiale, che non ha effetto in un solido come una mela, ma è la forza principale che può impedire a un fluido di rompersi. Hanno lavorato partendo dal presupposto che, come un proiettile, il getto cotto manterrebbe una forma cilindrica. Hanno scoperto che questo semplice modello approssimava approssimativamente le dinamiche osservate nei loro esperimenti.

Ma i video hanno mostrato chiaramente che la forma del jet, mentre penetrava in un ciondolo, era più complesso di un semplice cilindro. Così, i ricercatori hanno sviluppato un secondo modello, basata su una nota equazione del fisico Lord Rayleigh, che descrive come cambia la forma di una cavità mentre si muove attraverso un liquido. Hanno modificato l'equazione da applicare a un getto di liquido che si muove attraverso una gocciolina di liquido, e hanno scoperto che questo secondo modello produceva una rappresentazione più accurata di ciò che osservavano.

"Questo nuovo metodo per generare microgoccioline ad alta velocità è molto importante per il futuro della somministrazione di farmaci senza ago, "Dice Hunter. "La comprensione di come queste microgoccioline in rapido movimento interagiscono con liquidi stazionari di diverse viscosità è un primo passo essenziale per modellare la loro interazione con un'ampia gamma di tipi di tessuto".

Il team prevede di effettuare ulteriori esperimenti, utilizzando ciondoli con proprietà ancora più simili a quelle della pelle. I risultati di questi esperimenti potrebbero aiutare a mettere a punto i modelli per restringere le condizioni ottimali per l'iniezione di farmaci, o anche tatuaggi inchiostrati, senza usare aghi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.