Une nouvelle étude sur les jets d’eau impactant les gouttelettes liquides ressemble aux photos à grande vitesse d’Harold “Doc” Edgerton d’une balle tirée à travers une pomme. L’analyse pourrait aider à régler les systèmes d’injection sans aiguille. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs et de Tiny Giants
Les résultats pourraient aider les ingénieurs à développer un moyen d’injecter des drogues sans aiguille.
Injecter un jet d’eau dans une goutte de liquide peut sembler amusant, mais s’il est fait avec précision et bien compris, l’exercice éclaboussant 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 d’une nouvelle étude menée par des ingénieurs de AVEC et 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, à l’aide de caméras à grande vitesse pour capturer chaque impact aqueux. Les vidéos de l’équipe rappellent les célèbres photographies à la lumière stroboscopique d’un 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, avec des détails explosifs. Les nouvelles vidéos de l’équipe du MIT, d’un jet d’eau tiré à travers une gouttelette, révèlent une dynamique d’impact étonnamment similaire. 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 utiliser d’aiguilles.
«Nous voulons explorer comment l’injection sans aiguille peut être effectuée de manière à minimiser les dommages à la peau», explique David Fernandez Rivas, chercheur affilié 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, 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, le spin-out du MIT Portal Instruments, issu 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 injection séparée sans aiguille système pour fournir des volumes plus petits dans des couches de peau moins profondes, similaires aux profondeurs auxquelles les tatouages sont encrés.
“Ce régime pose des défis différents mais offre également des opportunités pour une médecine personnalisée”, explique Rivas, qui affirme que des 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 efficacement délivrer. Mais il s’est vite rendu compte que le matériau caoutchouteux est difficile à reproduire avec précision.
“Même dans le même laboratoire et en suivant les mêmes recettes, vous pouvez avoir des variations dans votre recette, de sorte que si vous essayez de trouver la contrainte critique ou la vitesse que votre jet doit avoir pour traverser la peau, vous avez parfois des valeurs à une ou deux magnitudes d’intervalle. , 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 », suspendue à une seringue verticale. Ils variaient la viscosité de chaque pendentif en ajoutant certains additifs pour le rendre aussi fin que l’eau, ou épais comme le miel. Ils ont ensuite enregistré chaque expérience avec des caméras à grande vitesse.
En lisant les 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, tels que des 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, par exemple, d’introduire des bulles d’air dans le corps », explique 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 semblaient similaires, du moins extérieurement, aux gouttelettes percées par jet de l’équipe.
Ils ont commencé par une équation simple pour décrire l’énergétique d’une balle tirée à travers une pomme, en adaptant 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 est la force principale 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, lorsqu’il pénétrait dans un pendentif, était plus complexe qu’un simple cylindre. Ainsi, 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 ont découvert que ce deuxième modèle produisait une représentation plus précise de ce qu’ils avaient observé.
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 même l’encrage des tatouages, sans utiliser d’aiguilles.
Référence : « Impact of a microfluidic jet on a pendant droplet » par Miguel A. Quetzeri-Santiago, Ian W. Hunter, Devaraj van der Meer et David Fernandez Rivas, 28 juin 2021, Matière molle.
DOI : 10.1039 / D1SM00706H
Cette recherche a été financée en partie par le Conseil européen de la recherche dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne.
