Injecter un jet d'eau à travers une goutte de liquide peut sembler amusant, mais si c'est fait avec précision, et bien compris, l'exercice splashy pourrait aider les scientifiques à identifier des moyens d'injecter des fluides tels que des vaccins à travers la peau sans utiliser d'aiguilles.

C'est la motivation derrière une nouvelle étude menée par des ingénieurs du MIT et de l'Université de Twente aux Pays-Bas. L'étude consiste à tirer de petits jets d'eau à travers de nombreux types de gouttelettes, des centaines de fois, utilisant des caméras à grande vitesse pour capturer chaque impact aquatique. Les vidéos de l'équipe rappellent les célèbres photographies à la lumière stroboscopique d'une balle perçant une pomme, lancé par Harold "Doc" Edgerton du MIT.

Les images d'Edgerton ont capturé des images séquentielles d'une balle tirée à travers une pomme, dans des détails explosifs. Les nouvelles vidéos de l'équipe du MIT, d'un jet d'eau tiré à travers une gouttelette, révèlent des dynamiques d'impact étonnamment similaires. Comme les gouttelettes de leurs expériences sont transparentes, les chercheurs ont également pu suivre ce qui se passe à l'intérieur d'une gouttelette lorsqu'un jet est tiré à travers.

Sur la base de leurs expériences, les chercheurs ont développé un modèle qui prédit l'impact d'un jet de fluide sur une gouttelette d'une certaine viscosité et élasticité. Comme la peau humaine est également un matériau viscoélastique, ils disent que le modèle peut être ajusté pour prédire comment les fluides pourraient être délivrés à travers la peau sans l'utilisation d'aiguilles.

« Nous voulons explorer comment l'injection sans aiguille peut être effectuée de manière à minimiser les dommages à la peau, " dit David Fernandez Rivas, un affilié de recherche au MIT et professeur à l'Université de Twente. "Avec ces expériences, nous obtenons toutes ces connaissances, pour expliquer comment nous pouvons créer des jets avec la bonne vitesse et la bonne forme pour injecter dans la peau. »

Rivas et ses collaborateurs, dont Ian Hunter, le professeur George N. Hatsopoulos en thermodynamique au MIT, ont publié leurs résultats dans la revue Matière molle .

Pénétrant les pores

Les systèmes d'injection sans aiguille actuels utilisent divers moyens pour propulser un médicament à grande vitesse à travers les pores naturels de la peau. Par exemple, MIT spin-out Portal Instruments, qui a jailli du groupe de Hunter, se concentre sur une conception qui utilise un actionneur électromagnétique pour éjecter de minces jets de médicament à travers une buse à des vitesses suffisamment élevées pour pénétrer à travers la peau et dans le muscle sous-jacent.

Hunter collabore avec Rivas sur un système d'injection sans aiguille séparé pour délivrer de plus petits volumes dans des couches moins profondes de la peau, similaire aux profondeurs auxquelles les tatouages ​​​​sont encrés.

« Ce régime pose différents défis mais offre également des opportunités pour une médecine personnalisée, " dit Rivas, qui dit que les médicaments tels que l'insuline et certains vaccins peuvent être efficaces lorsqu'ils sont administrés en plus petites doses aux couches superficielles de la peau.

La conception de Rivas utilise un laser de faible puissance pour chauffer une puce microfluidique remplie de fluide. Semblable à faire bouillir une bouilloire d'eau, le laser crée une bulle dans le fluide qui pousse le liquide à travers la puce et à travers une buse, à grande vitesse.

Rivas a déjà utilisé de la gélatine transparente comme substitut pour la peau, pour identifier les vitesses et les volumes de fluide que le système pourrait fournir efficacement. Mais il s'est vite rendu compte que le matériau caoutchouteux est difficile à reproduire avec précision.

"Même dans le même labo et en suivant les mêmes recettes, vous pouvez avoir des variations dans votre recette, de sorte que si vous essayez de trouver la contrainte ou la vitesse critique que votre jet doit avoir pour traverser la peau, parfois vous avez des valeurs distantes d'une ou deux grandeurs, " dit Rivas.

Au-delà de la balle

L'équipe a décidé d'étudier en détail un scénario d'injection plus simple :un jet d'eau, tiré dans une goutte d'eau en suspension. Les propriétés de l'eau sont mieux connues et peuvent être mieux calibrées que celles de la gélatine.

Dans la nouvelle étude, l'équipe a mis en place un système microfluidique à base de laser et a tiré de minces jets d'eau sur une seule goutte d'eau, ou "pendentif, " suspendu à une seringue verticale. Ils ont fait varier la viscosité de chaque pendentif en ajoutant certains additifs pour le rendre aussi fin que l'eau, ou épais comme du miel. Ils ont ensuite enregistré chaque expérience avec des caméras à grande vitesse.

Lecture des vidéos à 50, 000 images par seconde, les chercheurs ont pu mesurer la vitesse et la taille du jet de liquide qui a percé et parfois traversé directement le pendentif. Les expériences ont révélé des phénomènes intéressants, comme les cas où un jet a été ramené dans un pendentif, en raison de la viscoélasticité du pendentif. Parfois, le jet a également généré des bulles d'air lorsqu'il a percé le pendentif.

« Comprendre ces phénomènes est important car si nous injectons dans la peau de cette manière, nous voulons éviter, dire, apporter des bulles d'air dans le corps, " dit Rivas.

Les chercheurs ont cherché à développer un modèle pour prédire les phénomènes qu'ils voyaient en laboratoire. Ils se sont inspirés des pommes percées de balles d'Edgerton, qui paraissait similaire, au moins extérieurement, aux gouttelettes percées par le jet de l'équipe.

Ils ont commencé par une équation simple pour décrire l'énergétique d'une balle tirée à travers une pomme, adapter l'équation à un scénario fluide, par exemple en incorporant l'effet de la tension superficielle, qui n'a aucun effet dans un solide comme une pomme, mais qui est la principale force qui peut empêcher un fluide de se briser. Ils ont travaillé en supposant que, comme une balle, le jet tiré conserverait une forme cylindrique. Ils ont trouvé que ce modèle simple se rapprochait à peu près de la dynamique qu'ils ont observée dans leurs expériences.

Mais les vidéos montraient clairement que la forme du jet, comme il a pénétré un pendentif, était plus complexe qu'un simple cylindre. Donc, les chercheurs ont développé un deuxième modèle, basé sur une équation connue du physicien Lord Rayleigh, qui décrit comment la forme d'une cavité change lorsqu'elle se déplace dans un liquide. Ils ont modifié l'équation pour l'appliquer à un jet de liquide se déplaçant à travers une gouttelette de liquide, et a constaté que ce deuxième modèle a produit une représentation plus précise de ce qu'ils ont observé.

"Cette nouvelle méthode de génération de microgouttelettes à grande vitesse est très importante pour l'avenir de l'administration de médicaments sans aiguille, ", dit Hunter. "Comprendre comment ces microgouttelettes très rapides interagissent avec des liquides stationnaires de différentes viscosités est une première étape essentielle pour modéliser leur interaction avec un large éventail de types de tissus."

L'équipe prévoit de réaliser d'autres expériences, en utilisant des pendentifs aux propriétés encore plus proches de celles de la peau. Les résultats de ces expériences pourraient aider à affiner les modèles pour affiner les conditions optimales pour l'injection de drogues, ou encore des tatouages ​​à l'encre, sans utiliser d'aiguilles.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.