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

מערכת ההזרקה התת עורית היא בעצם מכשיר מיקרופלואידי העוקב אחר חוקי הובלה ייחודיים. במצב זרימה למינרית עם מספר ריינולדס Re < 100, זרימת תמיסת התרופה נשלטת על ידי כוחות צמיגים. על פי משוואת האגן -Poiseuille המתוקנת, קצב הזרימה הנפחי Q דרך צינור המחט ניתן על ידי Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), כאשר D הוא הקוטר הפנימי ו-d הוא הקוטר של הליבה הדינמית של המחט (אם קיימת). עבור מחט 27G בשימוש נפוץ (קוטר פנימי 0.21 מ"מ) בדחף סטנדרטי, קצב הזרימה של התמיסה המימית הוא כ-0.15 מ"ל לשנייה, בעוד שקצב הזרימה של תרחיף עם צמיגות של 50 cP יורד ל-0.03 מ"ל לשנייה. בשלב זה, יש להשתמש במחט 22G (קוטר פנימי 0.41 מ"מ) כדי לשמור על זמן הזרקה סביר.

לא ניתן להתעלם מהשפעת מתח הפנים בזרימות מיקרו-בקנה מידה. משטח הנוזל המעוקל שנוצר בתוך מזרק יוצר לחץ נוסף ΔP=2 cosθ/r, כאשר הוא מקדם מתח הפנים (72 mN/m עבור ממשק האוויר של המים-), θ הוא זווית המגע, ו-r הוא הרדיוס הפנימי של הצינור. כאשר r=0.1 מ"מ, לחץ זה יכול להגיע ל-1.4 kPa, שווה ערך ל-10 ס"מ של עמוד מים. ציפויים הידרופיליים (עם זווית מגע של 30-40 מעלות) יכולים להפחית את ההתנגדות הזו ב-20%, אך עשויים להגביר את ספיחת החלבון. המשטח הביומימטי הסופר חלק-שפותח לאחרונה, על ידי נעילת שכבת נוזל הסיכה דרך מבני מיקרו-ננו, יכול להשיג זרימה כמעט ללא חיכוך עם זווית מגע שמתקרבת ל-0 מעלות.

המחקר על הדינמיקה של זרימת סילון קצה המחט מצביע על כך שלאחר שהתרופה הנוזלית עוזבת את קצה המחט, היא יוצרת שלושה מצבי זרימה אופייניים: סילון רציף (We > 100), זרימת טיפות (4 < We < 100) וזרימה אטומה (We < 4). מספר הוובר We=ρv²d/ מייצג את היחס בין כוח האינרציה למתח פני השטח. המצב האופטימלי להזרקת אינסולין הוא זרימת הטיפות עם We=20 - 40, שבה קוטר הטיפות הוא כ-0.5 - 0.8 מ"מ, מה שיוצר אזור שקיעה אידיאלי ברקמה. הדמיית דינמיקת נוזלים חישובית מראה שזווית הדיפוזיה של זרימת הנוזל שנוצרת על ידי קצה המחט עם חמישה- מעלות היא 8 - 12 מעלות, ואילו זו של קצה מחט המדרון המסורתי היא 15 - 20 מעלות, מה שמצביע על כך שהעיצוב החדש יכול להפחית את טווח התפוצה של התרופה הנוזלית ב-40%.

התכונות הלא-ניוטוניות של דם במהלך האיסוף דורשות טיפול מיוחד. דם מפגין התנהגות של דילול גזירה בקצבי גזירה נמוכים, כאשר הצמיגות הנראית יורדת מ-4-5 cP במנוחה ל-3-3.5 cP בקצב גזירה של 100 s⁻¹. העיצוב של מערכות איסוף דם ואקום צריך להיות מותאם במדויק: עבור דם עם המטוקריט של 45%, במחט של 21G ובלחץ שלילי -40 kPa, קצב הגזירה הוא כ-3000 s⁻¹. בשלב זה, הדם הוא בערך נוזל ניוטוני (עם צמיגות של 3.2 cP), וקצב הזרימה יכול להגיע ל-40 מ"ל לדקה. אם נעשה שימוש במחט עדינה של 25G, קצב הגזירה גדל ל-12000 s⁻¹ באותו לחץ שלילי, מה שעשוי לעורר הפעלת טסיות דם הנגרמת לגזירה.

אינטראקציה צרה-תרופתית היא חיונית ליציבות. תרופות המבוססות על חלבון- נצמדות למשטחי מתכת בעקבות האיזותרמה של לנגמויר. יכולת הספיחה המקסימלית של נירוסטה 316L לאינסולין היא כ-0.8 ug/cm². ציפוי סיליקון יכול להפחית את הספיחה ל-0.2 ug/cm², אך הוא עשוי לשחרר טיפות שמן סיליקון (בקוטר של 0.5 - 5 מיקרומטר), ולעורר תגובה חיסונית. ציפוי הפוליאתילן גליקול הקוולנטי שפותח לאחרונה (PEG) יוצר מברשת מולקולרית של 2-3 ננומטר על ידי התקשרות גופרית-זהב על הדופן הפנימית של צינור המחט, וכתוצאה מכך קיבולת ספיחת חלבון של פחות מ-0.05 ug/cm² וללא חומרים הניתנים לדליפה.

בקרת מערבולות חיונית עבור תרופות מסוימות. תרופות מולקולות גדולות כגון נוגדנים חד שבטיים עלולות לעבור שינויים קונפורמטיביים כאשר קצב הגזירה גדול מ-10,000 s⁻¹. המחט הלמינרית החדשה משלבת לוחות מובילים ספירליים בלומן, הממירות את אנרגיית הזרימה לאנרגיה קינטית סיבובית, ובכך שומרת על קצב הגזירה מתחת ל-5,000 s⁻¹. ניסויים בבעלי חיים הראו כי לאחר הזרקת טרסטוזומאב דרך המחט המסורתית, פעילות קושרת האנטיגן ירדה ב-8%, בעוד שהיא ירדה ב-2% בלבד כאשר הוזרק דרך המחט הלמינרית. עיצוב זה גם מפחית את תופעות הקוויטציה ומפחית את יצירת המיקרו-בועות מ-0.3 מ"ל לדקה הרגיל ל-0.05 מ"ל לדקה.