麻省理工學院：高速相機捕捉到水射流刺穿水滴時的飛濺沖擊
這一結(jié)果可能有助于工程師開發(fā)一種不用針頭注射藥物的方法。
從一滴液體中噴射水聽起來可能是無聊的樂趣，但如果做得，并理解透徹，這種濺水的運動可以幫助科學家找到不使用針頭通過皮膚注射疫苗等液體的方法。
這就是麻省理工學院和荷蘭特文特大學的工程師們進行一項新研究的動機。這項研究包括通過各種各樣的水滴發(fā)射小型水射流，數(shù)百次，使用高速攝像機捕捉每一次水的撞擊。這個團隊的視頻讓人想起了的子彈穿蘋果的頻閃燈照片，這是由麻省理工學院的哈羅德·埃哲頓博士的。
埃哲頓的圖像捕捉到了子彈穿過蘋果的連續(xù)圖像，以及爆炸細節(jié)。麻省理工學院研究小組的新視頻顯示，水射流通過水滴噴射，揭示了驚人的相似的碰撞動力學。由于他們實驗中的液滴是透明的，研究人員還能夠跟蹤當噴射氣流穿過液滴時液滴內(nèi)部發(fā)生了什么。
基于他們的實驗，研究人員開發(fā)了一個模型，可以預(yù)測流體噴射如何影響具有一定粘度和彈性的液滴。由于人類皮膚也是一種粘彈性材料，他們說這個模型可以調(diào)整來預(yù)測液體如何在不使用針頭的情況下通過皮膚輸送。
“我們想探索如何以一種小化皮膚損傷的方式進行無針注射，”麻省理工學院(MIT)研究員、特溫特大學(University of Twente)教授戴維·費爾南德斯·里瓦斯(David Fernandez Rivas)說?！巴ㄟ^這些實驗，我們獲得了所有這些知識，以了解我們?nèi)绾我哉_的速度和形狀創(chuàng)建噴射物，注入皮膚。”
里瓦斯和他的合作者，包括麻省理工學院熱力學教授伊恩·亨特，已經(jīng)在《軟物質(zhì)》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
滲透毛孔
目前的無針注射系統(tǒng)使用各種方法來推動藥物高速通過皮膚的天然毛孔。例如，由亨特的團隊衍生而來的麻省理工學院(MIT)分支機構(gòu)門戶儀器(Portal Instruments)，專注于一種設(shè)計，它使用一個電磁致動器，以足夠高的速度通過噴嘴噴射出細細的藥物流，以穿透皮膚和下面的肌肉。
亨特正與里瓦斯合作開發(fā)一種獨立的無針注射系統(tǒng)，將更小的體積輸送到皮膚的較淺層，類似于紋身的深度。
“這種制度帶來了不同的挑戰(zhàn)，但也為個性化醫(yī)療提供了機會，”里瓦斯說。他說，胰島素和某些疫苗等藥物在小劑量注射到皮膚表層時可以有效。
里瓦斯的設(shè)計使用低功率激光加熱充滿流體的微流控芯片。類似于煮沸一壺水，激光在液體中產(chǎn)生氣泡，推動液體通過芯片，并通過噴嘴以高速流出。
里瓦斯之前曾用透明明膠代替皮膚，以確定系統(tǒng)可能有效輸送的流體的速度和體積。但他很快意識到，這種橡膠材料很難地復(fù)制。
里瓦斯說:“即使是在同一個實驗室里，按照同樣的食譜，你的食譜也會有所不同，因此，如果你試圖找到射流穿過皮膚時的臨界壓力或速度，有時你的數(shù)值會相差一到兩個量級?！?/p>
超出了子彈
研究小組決定詳細研究一種更簡單的注入方案:噴射一股水，射入懸浮的水滴中。與明膠相比，水的特性更廣為人知，可以更仔細地校準。
在這項新研究中，研究小組建立了一個基于激光的微流體系統(tǒng)，并向垂直注射器上的一個水滴(或“垂飾”)噴射細水柱。他們通過添加某些添加劑來改變每個吊墜的粘度，使其像水一樣薄，或像蜂蜜一樣厚。然后他們用高速攝像機記錄下每個實驗。
以每秒5萬幀的速度回放這些視頻，研究人員就能夠測量液體噴射的速度和大小，這些液體噴射穿透，有時甚至直接穿透吊墜。這些實驗揭示了一些有趣的現(xiàn)象，比如，由于吊墜的粘彈性，當噴射物被拖回吊墜中時。有時噴氣機在刺穿吊墜時也會產(chǎn)生氣泡。
里瓦斯說:“了解這些現(xiàn)象很重要，因為如果我們以這種方式向皮膚注射，我們希望避免，比如說，將氣泡帶入身體?！?/p>
研究人員試圖開發(fā)一個模型來預(yù)測他們在實驗室中看到的現(xiàn)象。他們的靈感來自于埃哲頓發(fā)現(xiàn)的被子彈刺穿的蘋果，至少從表面上看，它們與研究小組發(fā)現(xiàn)的被射流刺穿的水滴很相似。
他們開始用一個簡單的方程來描述一顆子彈發(fā)射的能量通過一個蘋果,方程適應(yīng)液相場景中,例如通過加入表面張力的影響,也沒有影響固體像蘋果但是是主要的力量可以阻止流體分裂。他們的工作假設(shè)，像子彈一樣，發(fā)射的噴射會保持圓柱形。他們發(fā)現(xiàn)這個簡單的模型大致接近他們在實驗中觀察到的動態(tài)。
但視頻清楚地顯示，飛機的形狀，因為它穿透了一個垂飾，比一個簡單的圓柱體更復(fù)雜。因此，研究人員根據(jù)物理學家Lord Rayleigh的已知方程開發(fā)了第二個模型，描述了空腔在液體中移動時形狀的變化。他們修改了這個方程，使之適用于通過液滴的液體噴射。他們發(fā)現(xiàn)，第二個模型對他們所觀察到的情況產(chǎn)生了更的描述。
“這種產(chǎn)生高速微滴的新方法對未來的無針藥物輸送非常重要，”亨特說?！傲私膺@些快速移動的微滴是如何與不同粘度的固定液體相互作用的，是建模它們與各種組織類型相互作用的關(guān)鍵步。”
該團隊計劃進行更多的實驗，使用特性更像皮膚的垂飾。這些實驗的結(jié)果可以幫助微調(diào)模型，以縮小在不使用針頭的情況下注射甚至紋身的條件范圍。
這項研究得到了歐洲研究理事會在歐盟地平線2020研究和創(chuàng)新計劃下的部分支持。
