江蘇鐳射聯盟導讀：

疫情尚未褪去，我們仍需保持警惕。在接種疫苗的同時，想給大家分享一項新研究，基於該研究，我們未來可能擁抱無針注射系統，無痛無感瞬間完成“最溫柔”的打針！

透過一滴液體噴射出一股水流聽起來像是無所事事的樂趣，但是如果做得準確，並且被徹底理解，這種濺起水花的運動可以幫助科學家找到不使用針頭面板注射疫苗等液體的方法！這就是麻省理工學院和荷蘭特溫特（Twente）大學工程師的一項新研究背後的動機。這項研究包括透過多種水滴發射小水柱，重複數百次，使用高速攝像機進行捕捉。

▲一項關於水射流撞擊液滴的新研究類似於Edgerton拍攝的子彈穿過蘋果的高速照片。對其進行分析可以幫助調整無針注射系統。

該團隊的研究讓人想起麻省理工學院的哈羅德·埃傑頓(Harold Edgerton,1903-1990, 麻省理工學院電氣工程教授,高速攝影先驅, 第一個拍攝彩色高速照片的攝影師)首創的著名的子彈穿透蘋果的頻閃照片。該影象捕捉到了子彈穿過蘋果的連續影象，細節極具爆炸性。

▲Harold Edgerton的高速攝影名作“靜止的時間”（STOPPING TIME)攝於1964年，表現的是一粒子彈射穿一隻蘋果的剎那。

麻省理工學院團隊的新影片顯示一股水流穿過一個水滴，揭示了驚人相似的撞擊動力學。由於他們實驗中的液滴是透明的，研究人員還能夠跟蹤噴射流穿過液滴時液滴內部發生的情況。

▲實驗示意圖

基於他們的實驗，研究人員開發了一個模型來預測流體射流將如何衝擊具有一定粘度和彈性的液滴。由於人的面板也是一種粘彈性材料，因此該模型可以透過多次調整來預測液體如何在不使用針頭的情況下透過面板輸送。

麻省理工學院附屬研究員、Twente大學教授DavidFernandez Rivas說：“我們想探索如何最大限度減少對面板傷害的前提下進行無針注射。透過這些實驗，我們獲得了所需要的資訊，這些資訊能告知我們如何以正確的速度和形狀產生射流來注射到面板中。” Rivas和他的合作者—麻省理工學院熱力學教授Ian Hunter，已經在《Soft Matter》雜誌上發表了他們的研究結果。

滲透原理是什麼？

目前的無針注射系統使用各種手段推動藥物高速透過面板的天然毛孔。比如麻省理工學院衍生公司Portal Instruments專注於一種獨特的設計——使用電磁製動器，透過噴嘴以足以穿透面板並進入下層肌肉的速度噴射細藥流。Rivas也正在與Hunter公司合作開發一種獨立的無針注射系統，將較小的注射量輸送到較淺的面板層——類似於紋身的深度。

Rivas：“這種創新系統雖然帶來了不同的挑戰，但也為個性化醫療提供了機會。一旦成功，胰島素和某些疫苗等藥物以較小的劑量輸送到面板表層就可成為現實。”

Rivas的設計使用低功率鐳射加熱充滿流體的微流控晶片（類似於燒開一壺水）——鐳射在液體中產生氣泡，推動液體透過晶片，並透過噴嘴高速噴出。Rivas以前曾使用透明明膠作為面板的替代品，以確定其有效輸送的液體的速度和體積。但他很快意識到這種材料很難精確複製面板。他說：“即使在同一個實驗室，按照相同的配方，你的實驗也會最終產生微調和變化，所以如果你試圖找到射流必須穿過面板的臨界應力或速度，有時你得到的值可能會相差一兩個數量級。

為何放棄子彈，選擇水射流？

研究小組決定詳細研究一個更簡單的注射場景——將噴射水射擊到懸浮的水滴中。與明膠相比，水的性質更為人所知，可以更仔細地校準。

在這項新的研究中，該團隊建立了一個基於鐳射的微流體系統，並向懸掛在垂直注射器上的單個水滴或“掛件”發射細水柱。他們透過某些新增劑來改變每個“掛件”的粘度——使其像水一樣薄，或者像蜂蜜一樣厚。然後他們用高速攝像機記錄下每個實驗。

以每秒50000幀的速度回放影片，研究人員能夠測量液體噴射的速度和大小，這些液體噴射或可直接穿透水滴“掛件”。實驗揭示了一些有趣的現象，例如，由於水滴的粘彈性，一些水射流被拖回水滴中。有時，射流在穿透水滴時也會產生氣泡。

▲(a)液體射流撞擊水滴的快照，PEO 600千磅(1wt%)顯示出珠光。Ujet = 33.5米·秒1、Wejet = 1160的射流撞擊長2.21毫米的液滴。射流的距離遠大於液滴長度，但由於液滴的粘彈性效應，射流被吸回液滴中。(二)橫縱相圖代表射流穿過液滴的情況，實心符號代表嵌入情況，半填充符號代表珠光。虛線表示牛頓流體從穿越到嵌入情況的轉變。計算所有實驗資料的不確定度，並在選定的點顯示示例誤差條，發現不確定度線性增加。

Rivas說 ：“深入理解這些現象很重要，因為如果我們以這種方式注射到面板中，我們當然希望避免出現將氣泡帶入體內等問題。我們希望開發一個模型來預測在實驗室中看到的現象。我們從Edgerton子彈穿透的蘋果中獲得了靈感，這些蘋果看起來類似於我們團隊的噴射穿透液滴，至少從表面上看是如此。我們從一個簡單的方程開始描述子彈穿過蘋果的能量，將這個方程應用到基於流體的場景中。”

“我們的假設是射出的射流將像子彈穿透蘋果一樣保持圓柱形。但影片清楚地顯示，當水射流穿過液滴時，它的形狀比簡單的圓柱體更復雜。因此，我們開發了第二個模型，該模型基於物理學家 Rayleigh的一個已知方程，描述了空腔在液體中移動時的形狀變化。我們修改了這個方程，使其適用於穿過液滴的液體射流，並發現第二個模型對我們觀察到的情況做出了更精確的描述。”

據該團隊預料，這種產生高速微滴的新方法對未來無針給藥非常重要。瞭解這些快速移動的微滴如何與不同粘度的固定液體相互作用，是模擬它們與各種組織型別相互作用的重要第一步。團隊計劃進行使用屬性更像面板的物體來進行更多的實驗，微調模型、縮小注射藥物的最佳條件範圍。未來或許我們甚至可以在不使用針頭的情況下進行紋身。

來源：MIT；該研究被Miguel A. Quetzeri-Santiago等人以“Impact of a microfluidic jet on a pendant droplet”發表在Soft Matter (2021)上. DOI: 10.1039/D1SM00706H