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| Un nuevo estudio sobre el impacto de chorros de agua en gotas de líquido se asemeja a las fotos de alta velocidad de Harold "Doc" Edgerton de una bala disparada a través de una manzana. El análisis podría ayudar a afinar los sistemas de inyección sin agujas. Crédito: Cortesía de los investigadores, y Tiny Giants |
Lanzar un chorro de agua a través de una gota de líquido puede parecer una diversión ociosa, pero si se hace con precisión, y se entiende a fondo, el ejercicio de salpicar podría ayudar a los científicos a identificar formas de inyectar fluidos como vacunas a través de la piel sin usar agujas.
Esa es la motivación de un nuevo estudio realizado por ingenieros del MIT y la Universidad de Twente (Países Bajos). El estudio consiste en disparar pequeños chorros de agua a través de muchos tipos de gotas, cientos de veces, utilizando cámaras de alta velocidad para capturar cada impacto acuoso. Los vídeos del equipo recuerdan a las famosas fotografías con luz estroboscópica de una bala atravesando una manzana, de las que fue pionero Harold "Doc." Edgerton, del MIT.
Las imágenes de Edgerton captaban imágenes secuenciales de una bala atravesando una manzana, con un detalle explosivo. Los nuevos vídeos del equipo del MIT, de un chorro de agua disparado a través de una gota, revelan una dinámica de impacto sorprendentemente similar. Como las gotas de sus experimentos son transparentes, los investigadores también pudieron seguir lo que ocurre dentro de una gota cuando se dispara un chorro a través de ella.
Basándose en sus experimentos, los investigadores desarrollaron un modelo que predice cómo impactará un chorro de fluido en una gota de cierta viscosidad y elasticidad. Como la piel humana también es un material viscoelástico, afirman que el modelo puede ajustarse para predecir cómo podrían administrarse los fluidos a través de la piel sin necesidad de utilizar agujas.
"Queremos explorar cómo la inyección sin agujas puede hacerse de forma que se minimice el daño a la piel", dice David Fernández Rivas, investigador afiliado al MIT y profesor de la Universidad de Twente. "Con estos experimentos, estamos obteniendo todos estos conocimientos, para informar sobre cómo podemos crear chorros con la velocidad y la forma adecuadas para inyectar en la piel".
Rivas y sus colaboradores, entre los que se encuentra Ian Hunter, catedrático de Termodinámica George N. Hatsopoulos del MIT, han publicado sus resultados en la revista Soft Matter.
Penetrar en los poros
Los actuales sistemas de inyección sin aguja utilizan diversos medios para impulsar un fármaco a gran velocidad a través de los poros naturales de la piel. Por ejemplo, la empresa derivada del MIT, Portal Instruments, que ha surgido del grupo de Hunter, se centra en un diseño que utiliza un actuador electromagnético para expulsar finos chorros de medicamento a través de una boquilla a velocidades lo suficientemente altas como para penetrar a través de la piel y en el músculo subyacente.
Hunter está colaborando con Rivas en un sistema de inyección sin aguja independiente para suministrar volúmenes más pequeños en las capas más superficiales de la piel, de forma similar a la profundidad a la que se entintan los tatuajes.
"Este régimen plantea diferentes retos, pero también ofrece oportunidades para la medicina personalizada", dice Rivas, que afirma que medicamentos como la insulina y ciertas vacunas pueden ser eficaces cuando se administran en dosis más pequeñas en las capas superficiales de la piel.
El diseño de Rivas utiliza un láser de baja potencia para calentar un chip microfluídico lleno de líquido. Como si se tratara de hervir una tetera con agua, el láser crea una burbuja en el fluido que empuja el líquido a través del chip y lo expulsa por una boquilla, a gran velocidad.
Rivas utilizó anteriormente gelatina transparente como sustituto de la piel, para identificar las velocidades y los volúmenes de líquido que el sistema podría suministrar eficazmente. Pero pronto se dio cuenta de que el material gomoso es difícil de reproducir con precisión.
"Incluso en el mismo laboratorio y siguiendo las mismas recetas, puedes tener variaciones en la receta, de modo que si intentas encontrar la tensión crítica o la velocidad que debe tener tu chorro para atravesar la piel, a veces tienes valores con una o dos magnitudes de diferencia", dice Rivas.
Más allá de la bala
El equipo decidió estudiar en detalle un escenario de inyección más sencillo: un chorro de agua, disparado hacia una gota de agua en suspensión. Las propiedades del agua se conocen mejor y pueden calibrarse con más cuidado que las de la gelatina.
En el nuevo estudio, el equipo instaló un sistema microfluídico basado en láser y disparó finos chorros de agua a una sola gota de agua, o "colgante", que colgaba de una jeringa vertical. Variaron la viscosidad de cada colgante añadiendo determinados aditivos para hacerlo tan fino como el agua o tan espeso como la miel. A continuación, grabaron cada experimento con cámaras de alta velocidad.
Al reproducir los vídeos a 50.000 fotogramas por segundo, los investigadores pudieron medir la velocidad y el tamaño del chorro de líquido que perforaba, y a veces atravesaba, el colgante. Los experimentos revelaron fenómenos interesantes, como los casos en los que el chorro era arrastrado hacia el colgante, debido a la viscoelasticidad de éste. A veces, el chorro también generaba burbujas de aire al atravesar el colgante.
"Entender estos fenómenos es importante porque si estamos inyectando en la piel de esta manera, queremos evitar, por ejemplo, que entren burbujas de aire en el cuerpo", dice Rivas.
Los investigadores buscaron desarrollar un modelo para predecir los fenómenos que estaban viendo en el laboratorio. Se inspiraron en las manzanas perforadas por balas de Edgerton, que parecían similares, al menos exteriormente, a las gotas perforadas por chorros del equipo.
Empezaron con una ecuación sencilla para describir la energía de una bala disparada a través de una manzana, adaptando la ecuación a un escenario basado en fluidos, por ejemplo, incorporando el efecto de la tensión superficial, que no tiene efecto en un sólido como una manzana, pero es la principal fuerza que puede impedir que un fluido se rompa. Trabajaron bajo el supuesto de que, como una bala, el chorro disparado mantendría una forma cilíndrica. Comprobaron que esté sencillo modelo se aproximaba aproximadamente a la dinámica que observaron en sus experimentos.
Pero los vídeos mostraban claramente que la forma del chorro, al penetrar en un colgante, era más compleja que un simple cilindro. Así que los investigadores desarrollaron un segundo modelo, basado en una conocida ecuación del físico Lord Rayleigh, que describe cómo cambia la forma de una cavidad a medida que se desplaza por un líquido. Modificaron la ecuación para aplicarla a un chorro de líquido que se mueve a través de una gota de líquido, y descubrieron que este segundo modelo producía una representación más precisa de lo que observaban.
"Este nuevo método de generación de microgotas de alta velocidad es muy importante para el futuro de la administración de fármacos sin aguja", afirma Hunter. "Entender cómo estas microgotas de movimiento muy rápido interactúan con líquidos estacionarios de diferentes viscosidades es un primer paso esencial para modelar su interacción con una amplia gama de tipos de tejidos".
El equipo tiene previsto realizar más experimentos, utilizando colgantes con propiedades aún más parecidas a las de la piel. Los resultados de estos experimentos podrían ayudar a perfeccionar los modelos para acotar las condiciones óptimas para la inyección de fármacos, o incluso para el entintado de tatuajes, sin utilizar agujas.
Fuentes, créditos y referencias:
Miguel A. Quetzeri-Santiago et al, Impact of a microfluidic jet on a pendant droplet, Soft Matter (2021). DOI: 10.1039/D1SM00706H