Esguichar um jato de água através de uma gota de líquido pode soar como diversão ociosa, mas se feito com precisão, e compreendido completamente, o exercício intenso pode ajudar os cientistas a identificar maneiras de injetar fluidos, como vacinas, através da pele sem o uso de agulhas.

Essa é a motivação por trás de um novo estudo de engenheiros do MIT e da Universidade de Twente, na Holanda. O estudo envolve o disparo de pequenos jatos de água através de vários tipos de gotículas, centenas de vezes, usando câmeras de alta velocidade para capturar cada impacto aquático. Os vídeos da equipe lembram as famosas fotos com luz estroboscópica de uma bala perfurando uma maçã, foi pioneiro por Harold "Doc" Edgerton do MIT.

As imagens de Edgerton capturaram imagens sequenciais de uma bala sendo disparada através de uma maçã, em detalhes explosivos. Os novos vídeos da equipe do MIT, de um jato de água disparado através de uma gota, revelam uma dinâmica de impacto surpreendentemente semelhante. Como as gotas em seus experimentos são transparentes, os pesquisadores também foram capazes de rastrear o que acontece dentro de uma gota quando um jato é disparado.

Com base em seus experimentos, os pesquisadores desenvolveram um modelo que prevê como um jato de fluido impactará uma gota de certa viscosidade e elasticidade. Como a pele humana também é um material viscoelástico, eles dizem que o modelo pode ser ajustado para prever como os fluidos podem ser administrados através da pele sem o uso de agulhas.

"Queremos explorar como a injeção sem agulha pode ser feita de forma a minimizar os danos à pele, "diz David Fernandez Rivas, pesquisador afiliado do MIT e professor da Universidade de Twente. "Com esses experimentos, estamos obtendo todo esse conhecimento, para informar como podemos criar jatos com a velocidade e a forma corretas para injetar na pele. "

Rivas e seus colaboradores, incluindo Ian Hunter, o professor George N. Hatsopoulos em Termodinâmica do MIT, publicaram seus resultados no jornal Matéria Macia .

Poros penetrantes

Os atuais sistemas de injeção sem agulha usam vários meios para propelir um medicamento em alta velocidade através dos poros naturais da pele. Por exemplo, MIT spinout Portal Instruments, que surgiu do grupo de Hunter, centra-se em um projeto que usa um atuador eletromagnético para ejetar finos fluxos de medicamento através de um bico em velocidades altas o suficiente para penetrar através da pele e no músculo subjacente.

Hunter está colaborando com Rivas em um sistema separado de injeção sem agulha para distribuir volumes menores em camadas mais rasas da pele, semelhantes às profundidades em que as tatuagens são pintadas.

"Este regime apresenta desafios diferentes, mas também dá oportunidades para a medicina personalizada, "diz Rivas, que diz que medicamentos como a insulina e certas vacinas podem ser eficazes quando administrados em doses menores nas camadas superficiais da pele.

O design de Rivas usa um laser de baixa potência para aquecer um chip microfluídico cheio de fluido. Semelhante a ferver uma chaleira de água, o laser cria uma bolha no fluido que empurra o líquido pelo chip e sai por um bico, em altas velocidades.

Rivas já havia usado gelatina transparente como substituto da pele, para identificar velocidades e volumes de fluido que o sistema pode efetivamente entregar. Mas ele rapidamente percebeu que o material emborrachado é difícil de reproduzir com precisão.

“Mesmo no mesmo laboratório e seguindo as mesmas receitas, você pode ter variações em sua receita, de modo que se você tentar encontrar o estresse crítico ou a velocidade que seu jato deve ter para atravessar a pele, às vezes você tem valores com uma ou duas magnitudes separadas, "Diz Rivas.

Além da bala

A equipe decidiu estudar em detalhes um cenário de injeção mais simples:um jato de água, disparado em uma gota suspensa de água. As propriedades da água são mais conhecidas e podem ser calibradas com mais cuidado em comparação com a gelatina.

No novo estudo, a equipe montou um sistema microfluídico baseado em laser e disparou finos jatos de água em uma única gota d'água, ou "pendente, "pendurado em uma seringa vertical. Eles variavam a viscosidade de cada pingente adicionando certos aditivos para torná-lo tão fino quanto água, ou grosso como mel. Eles então gravaram cada experimento com câmeras de alta velocidade.

Reproduzindo os vídeos aos 50, 000 quadros por segundo, os pesquisadores conseguiram medir a velocidade e o tamanho do jato de líquido que perfurou e às vezes perfurou o pingente. Os experimentos revelaram fenômenos interessantes, como casos em que um jato foi arrastado de volta para um pendente, devido à viscoelasticidade do pingente. Às vezes, o jato também gerava bolhas de ar ao perfurar o pingente.

"Compreender esses fenômenos é importante porque, se injetarmos na pele dessa forma, queremos evitar, dizer, trazendo bolhas de ar para o corpo, "Diz Rivas.

Os pesquisadores procuraram desenvolver um modelo para prever os fenômenos que estavam vendo no laboratório. Eles se inspiraram nas maçãs perfuradas por balas de Edgerton, que parecia semelhante, pelo menos externamente, às gotas perfuradas a jato da equipe.

Eles começaram com uma equação direta para descrever a energia de uma bala disparada através de uma maçã, adaptar a equação a um cenário baseado em fluido, por exemplo, incorporando o efeito da tensão superficial, que não tem efeito em um sólido como uma maçã, mas é a principal força que pode impedir que um fluido se quebre. Eles trabalharam com o pressuposto de que, como uma bala, o jato disparado manteria uma forma cilíndrica. Eles descobriram que este modelo simples se aproximava aproximadamente da dinâmica que observaram em seus experimentos.

Mas os vídeos mostraram claramente que a forma do jato, ao penetrar em um pingente, era mais complexo do que um cilindro simples. Então, os pesquisadores desenvolveram um segundo modelo, com base em uma equação conhecida do físico Lord Rayleigh, que descreve como a forma de uma cavidade muda conforme ela se move através de um líquido. Eles modificaram a equação para aplicar a um jato de líquido movendo-se através de uma gota de líquido, e descobriram que este segundo modelo produziu uma representação mais precisa do que eles observaram.

"Este novo método de geração de microgotículas de alta velocidade é muito importante para o futuro da entrega de drogas sem agulha, "Hunter diz." Uma compreensão de como essas microgotículas de movimento muito rápido interagem com líquidos estacionários de diferentes viscosidades é um primeiro passo essencial para modelar sua interação com uma ampla gama de tipos de tecido. "

A equipe planeja realizar mais experimentos, usando pingentes com propriedades ainda mais parecidas com as da pele. Os resultados desses experimentos podem ajudar a ajustar os modelos para restringir as condições ideais para a injeção de drogas, ou mesmo tatuagens com tinta, sem usar agulhas.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.