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El sistema de inyección subcutánea es esencialmente un dispositivo de microfluidos que sigue leyes de transporte únicas. En un estado de flujo laminar con un número de Reynolds Re < 100, el flujo de la solución del fármaco está dominado por fuerzas viscosas. Según la ecuación de Hagen-Poiseuille modificada, el caudal volumétrico Q a través del tubo de la aguja viene dado por Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), donde D es el diámetro interior y d es el diámetro del núcleo de la aguja (si lo hay), y μ es la viscosidad dinámica. Para una aguja de 27G comúnmente utilizada (diámetro interior 0,21 mm) bajo empuje estándar, el caudal de la solución acuosa es de aproximadamente 0,15 ml/s, mientras que el caudal de una suspensión con una viscosidad de 50 cP cae a 0,03 ml/s. En este punto, es necesario utilizar una aguja de 22 G (diámetro interior de 0,41 mm) para mantener un tiempo de inyección razonable.

El efecto de la tensión superficial no se puede ignorar en los flujos a micro-escala. La superficie curvada del líquido formada dentro de una jeringa genera una presión adicional ΔP=2 cosθ/r, donde es el coeficiente de tensión superficial (72 mN/m para la interfaz agua-aire), θ es el ángulo de contacto y r es el radio interior del tubo. Cuando r=0.1 mm, esta presión puede alcanzar 1,4 kPa, equivalente a 10 cm de columna de agua. Los recubrimientos hidrofílicos (con un ángulo de contacto de 30-40 grados) pueden reducir esta resistencia en un 20 %, pero pueden aumentar la adsorción de proteínas. La superficie biomimética super-suave recientemente desarrollada, al bloquear la capa de líquido lubricante a través de micronanoestructuras, puede lograr un flujo casi sin fricción con un ángulo de contacto cercano a 0 grados.

La investigación sobre la dinámica del flujo del chorro de la punta de la aguja indica que después de que el medicamento líquido sale de la punta de la aguja, forma tres estados de flujo típicos: chorro continuo (We > 100), flujo de gotas (4 < We < 100) y flujo atomizado (We < 4). El número de Weber We=ρv²d/ representa la relación entre la fuerza de inercia y la tensión superficial. El estado óptimo para la inyección de insulina es el flujo de gotitas con We=20 - 40, en el que el diámetro de las gotitas es de aproximadamente 0.5 - 0.8 mm, formando un área de deposición ideal en el tejido. La simulación de dinámica de fluidos computacional muestra que el ángulo de difusión del flujo de líquido generado por la punta de la aguja de cinco - pendiente es de 8 - 12 grados, mientras que el de la punta de la aguja de pendiente tradicional es de 15 - 20 grado, lo que indica que el nuevo diseño puede reducir el rango de distribución del medicamento líquido en un 40 %.

Las propiedades no-newtonianas de la sangre durante la extracción requieren un manejo especial. La sangre muestra un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento a velocidades de cizallamiento bajas, con una viscosidad aparente que cae de 4-5 cP en reposo a 3-3,5 cP a una velocidad de cizallamiento de 100 s⁻¹. El diseño de los sistemas de extracción de sangre al vacío debe coincidir con precisión: para sangre con un hematocrito del 45 %, con una aguja de 21 G y una presión negativa de -40 kPa, la velocidad de corte es de aproximadamente 3000 s⁻¹. En este punto, la sangre es aproximadamente un fluido newtoniano (con una viscosidad de 3,2 cP) y el caudal puede alcanzar 40 ml/min. Si se utiliza una aguja fina de 25G, la velocidad de corte aumenta a 12 000 s⁻¹ con la misma presión negativa, lo que puede desencadenar la activación plaquetaria inducida por el corte.

La interacción estrecha-entre medicamentos es crucial para la estabilidad. Los medicamentos basados ​​en proteínas-se adhieren a superficies metálicas siguiendo la isoterma de Langmuir. La capacidad máxima de adsorción del acero inoxidable 316L para insulina es de aproximadamente 0,8 ug/cm². Un recubrimiento de silicona puede reducir la adsorción a 0,2 ug/cm², pero puede liberar gotas de aceite de silicona (con un diámetro de 0.5 - 5 μm), lo que desencadena una respuesta inmune. El recubrimiento de polietilenglicol (PEG) unido covalentemente recientemente desarrollado forma un cepillo molecular de 2-3 nm mediante enlaces de azufre-oro en la pared interna del tubo de la aguja, lo que da como resultado una capacidad de adsorción de proteínas de menos de 0,05 ug/cm² y sin sustancias lixiviables.

El control de la turbulencia es crucial para ciertos fármacos. Los fármacos de molécula grande, como los anticuerpos monoclonales, pueden sufrir cambios conformacionales cuando la velocidad de corte es superior a 10.000 s⁻¹. La nueva aguja laminar incorpora placas guía en espiral en el lumen, que convierten la energía del flujo en energía cinética rotacional, manteniendo así la velocidad de corte por debajo de 5000 s⁻¹. Los experimentos con animales han demostrado que después de inyectar trastuzumab a través de la aguja tradicional, la actividad de unión al antígeno disminuyó en un 8%, mientras que disminuyó solo un 2% cuando se inyectó a través de una aguja laminar. Este diseño también reduce los fenómenos de cavitación y reduce la generación de microburbujas desde los 0,3 ml/min convencionales a 0,05 ml/min.