Разпръскването на струя вода през капка течност може да звучи като забавление, но ако се направи прецизно и се разбере добре, може да помогне на учените да намерят начини за инжектиране на течности като ваксини през кожата, без да се използват игли.

Това е мотивацията за новото проучване на инженери от MIT и Университета на Твенте в Нидерландия. Проучването включва изстрелване на малки струи вода през много видове капчици, стотици пъти, с използване на високоскоростни камери за улавяне на всяко водно въздействие. Видеоклиповете на екипа напомнят на известните снимки със стробираща светлина на куршум, пробил ябълка, направени от Харолд "Док" Еджъртън от MIT.

Снимките на Еджъртън са последователни изображения на куршум, изстрелян през ябълка, с експлозивни детайли. Новите видеоклипове на екипа на MIT за водна струя, изстреляна през капчица, разкриват изненадващо подобна динамика на удара. Тъй като капките в техните експерименти са прозрачни, изследователите също така успяват да проследят какво се случва вътре в капчицата, когато се изстрелва струя.

Въз основа на експериментите си изследователите разработиха модел, който предвижда как течността ще повлияе на капчица с определен вискозитет и еластичност. Тъй като човешката кожа също е вискоеластичен материал, те казват, че моделът може да бъде настроен, за да предвиди как течности могат да се доставят през кожата без използване на игли.

"С тези експерименти получаваме всички тези знания, за да информираме как можем да създадем струи с правилната скорост и форма, които да инжектираме в кожата", казва Дейвид Фернандес Ривас, изследовател в MIT и професор в университета в Твенте

Съвременните инжекционни системи без игла използват различни средства за прокарване на лекарство с висока скорост през естествените пори на кожата. Например, MIT spinout Portal Instruments, използва електромагнитен задвижващ механизъм за изхвърляне на тънки потоци от лекарство през дюза при достатъчно високи скорости, за да проникне през кожата и в подлежащия мускул.

Ривас използва лазер с ниска мощност за загряване на микрофлуиден чип, напълнен с течност. Подобно на кипенето на чайник с вода, лазерът създава балон във флуида, който изтласква течността през чипа и навън през дюза, при високи скорости.

Първоначално екипът използвал прозрачен желатин като заместител на кожата, за да идентифицира скоростите и обемите на течности, които системата може ефективно да доставя. Но бързо разбрали, че това не е удачно.

Екипът решил да проучи подробно по-прост сценарий на инжектиране - струя вода, изстреляна в суспендирана капчица вода. Свойствата на водата са по-познати и могат да бъдат по-внимателно калибрирани в сравнение с желатина.

В новото проучване екипът създава лазерна микрофлуидна система и изстрелва тънки водни струи върху "висулка" - единична водна капка, висяща от вертикална спринцовка. Те променят вискозитета на всяка висулка, като добавят определени добавки, за да я направят течна като вода или гъста като мед. След това те записват всеки експеримент с високоскоростни камери.

Видеоклиповете, заснети с 50 000 кадъра в секунда, дават възможност на изследователите да измерват скоростта и размера на струята течност, която понякога пробива направо през висулката. Експериментите разкрили интересни явления, като например случаи, когато струята се връща обратно, поради вискоеластичността на висулката. Понякога струята също генерира въздушни мехурчета, докато пробива висулката.

"Разбирането на тези явления е важно, защото ако инжектираме в кожата по този начин, искаме да избегнем, да речем, внасянето на въздушни мехурчета в тялото", казва Ривас.

Изследователите се опитаха да разработят модел, който да предскаже явленията, които наблюдават в лабораторията. Те се вдъхновили от пробитите от куршуми ябълки на Еджъртън, които наподобяват, поне външно, капчиците, пробити от струята на екипа.

Те започнаха с ясно уравнение, за да опишат енергията на куршум, изстрелян през ябълка, адаптиране на уравнението към сценарий, базиран на флуиди, например чрез включване на ефекта на повърхностното напрежение, което няма ефект върху твърдо вещество като ябълка, но е основната сила, която може да попречи на течността да се разпадне. Те работеха при предположението, че подобно на куршум изстреляната струя ще поддържа цилиндрична форма. Те откриха, че този прост модел приблизително приближава динамиката, която наблюдават в своите експерименти.

Но видеоклиповете ясно показали, че формата на струята, когато прониква в висулка, е по-сложна от обикновен цилиндър. И така, изследователите разработили втори модел, базиран на известно уравнение на физика лорд Рейли, който описва как се променя формата на кухина, докато се движи през течност. Те модифицирали уравнението, за да бъде приложимо към течна струя, движеща се през течна капчица, и установили, че този втори модел дава по-точно представяне на това, което наблюдават.

Екипът планира да проведе още експерименти, като използва висулки със свойства, още по-подобни на тези на кожата. Резултатите от тези експерименти биха могли да помогнат за фина настройка на моделите, за да се стеснят оптималните условия за инжектиране на лекарства или дори за татуиране с мастило, без да се използват игли.

Това изследване е подкрепено отчасти от Европейския научноизследователски съвет по програмата на Европейския съюз „Хоризонт 2020“ за научни изследвания и иновации.