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

Sistem injeksi subkutan pada dasarnya adalah perangkat mikrofluida yang mengikuti hukum transportasi yang unik. Dalam keadaan aliran laminar dengan bilangan Reynolds Re < 100, aliran larutan obat didominasi oleh gaya viskos. Berdasarkan persamaan Hagen-Poiseuille yang dimodifikasi, laju aliran volumetrik Q melalui tabung jarum diberikan oleh Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), dengan D adalah diameter dalam dan d adalah diameter inti jarum (jika ada), dan μ adalah viskositas dinamis. Untuk jarum 27G yang umum digunakan (diameter dalam 0,21 mm) dengan gaya dorong standar, laju aliran larutan berair kira-kira 0,15 ml/s, sedangkan laju aliran suspensi dengan viskositas 50 cP turun menjadi 0,03 ml/s. Pada titik ini, jarum 22G (diameter dalam 0,41 mm) perlu digunakan untuk menjaga waktu injeksi yang wajar.

Efek tegangan permukaan tidak dapat diabaikan dalam-aliran berskala mikro. Permukaan cairan melengkung yang terbentuk di dalam semprit menghasilkan tekanan tambahan ΔP=2 cosθ/r, dengan koefisien tegangan permukaan (72 mN/m untuk antarmuka air-udara), θ adalah sudut kontak, dan r adalah jari-jari dalam tabung. Ketika r=0.1 mm, tekanan ini bisa mencapai 1,4 kPa atau setara dengan 10 cm kolom air. Lapisan hidrofilik (dengan sudut kontak 30-40 derajat ) dapat mengurangi resistensi ini sebesar 20%, namun dapat meningkatkan adsorpsi protein. Permukaan super-halus biomimetik yang baru dikembangkan, dengan mengunci lapisan cairan pelumas melalui struktur mikro-nano, dapat mencapai aliran hampir tanpa gesekan dengan sudut kontak mendekati 0 derajat .

Penelitian tentang dinamika aliran pancaran ujung jarum menunjukkan bahwa setelah obat cair meninggalkan ujung jarum, ia membentuk tiga keadaan aliran yang khas: pancaran kontinu (We > 100), aliran tetesan (4 < We < 100), dan aliran teratomisasi (We < 4). Bilangan Weber We=ρv²d/ mewakili rasio gaya inersia terhadap tegangan permukaan. Keadaan optimal untuk injeksi insulin adalah aliran tetesan dengan We=20 - 40, dengan diameter tetesan kira-kira 0.5 - 0.8 mm, membentuk area pengendapan yang ideal di jaringan. Simulasi dinamika fluida komputasi menunjukkan bahwa sudut difusi aliran cairan yang dihasilkan oleh lima{10}}ujung jarum kemiringan adalah 8 - 12 derajat , sedangkan sudut kemiringan ujung jarum tradisional adalah 15 - 20 derajat , yang menunjukkan bahwa desain baru dapat mengurangi jangkauan distribusi obat cair sebesar 40%.

Sifat non-Newtonian darah selama pengumpulan memerlukan penanganan khusus. Darah menunjukkan perilaku penipisan pada laju geser yang rendah, dengan viskositas nyata yang turun dari 4-5 cP saat istirahat menjadi 3-3,5 cP pada laju geser 100 s⁻¹. Desain sistem pengumpulan darah vakum harus disesuaikan secara tepat: untuk darah dengan hematokrit 45%, pada jarum 21G dan tekanan negatif -40 kPa, laju gesernya kira-kira 3000 s⁻¹. Pada titik ini, darah kira-kira merupakan cairan Newtonian (dengan viskositas 3,2 cP), dan laju aliran dapat mencapai 40 ml/menit. Jika jarum halus 25G digunakan, laju geser meningkat menjadi 12000 s⁻¹ pada tekanan negatif yang sama, yang dapat memicu aktivasi trombosit yang diinduksi oleh geser.

Interaksi-obat yang sempit sangat penting untuk stabilitas. Obat berbasis protein-melekat pada permukaan logam mengikuti isoterm Langmuir. Kapasitas adsorpsi maksimum baja tahan karat 316L untuk insulin adalah sekitar 0,8 ug/cm². Lapisan silikon dapat mengurangi adsorpsi hingga 0,2 ug/cm², namun dapat melepaskan tetesan minyak silikon (dengan diameter 0.5 - 5 μm), sehingga memicu respons imun. Lapisan polietilen glikol (PEG) berikatan kovalen yang baru dikembangkan membentuk sikat molekul 2-3 nm melalui ikatan belerang醇-emas di dinding bagian dalam tabung jarum, menghasilkan kapasitas adsorpsi protein kurang dari 0,05 ug/cm² dan tidak ada zat yang dapat larut.

Pengendalian turbulensi sangat penting untuk obat-obatan tertentu. Obat molekul besar seperti antibodi monoklonal dapat mengalami perubahan konformasi ketika laju gesernya lebih besar dari 10.000 s⁻¹. Jarum laminar baru menggabungkan pelat pemandu spiral di lumen, mengubah energi aliran menjadi energi kinetik rotasi, sehingga menjaga laju geser di bawah 5.000 s⁻¹. Percobaan pada hewan menunjukkan bahwa setelah trastuzumab disuntikkan melalui jarum tradisional, aktivitas pengikatan antigen menurun sebesar 8%, sedangkan hanya menurun 2% ketika disuntikkan melalui jarum laminar. Desain ini juga mengurangi fenomena kavitasi dan mengurangi pembentukan gelembung mikro dari konvensional 0,3 ml/menit menjadi 0,05 ml/menit.