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O sistema de injeção subcutânea é essencialmente um dispositivo microfluídico que segue leis de transporte únicas. Num estado de fluxo laminar com um número de Reynolds Re < 100, o fluxo da solução do medicamento é dominado por forças viscosas. De acordo com a equação de Hagen-Poiseuille modificada, a vazão volumétrica Q através do tubo da agulha é dada por Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), onde D é o diâmetro interno e d é o diâmetro do núcleo da agulha (se houver), e μ é a viscosidade dinâmica. Para uma agulha 27G comumente usada (diâmetro interno 0,21 mm) sob impulso padrão, a vazão da solução aquosa é de aproximadamente 0,15 ml/s, enquanto a vazão de uma suspensão com uma viscosidade de 50 cP cai para 0,03 ml/s. Neste ponto, uma agulha 22G (diâmetro interno 0,41 mm) precisa ser usada para manter um tempo de injeção razoável.

O efeito da tensão superficial não pode ser ignorado em fluxos em micro{0}}escala. A superfície líquida curva formada dentro de uma seringa gera uma pressão adicional ΔP=2 cosθ/r, onde é o coeficiente de tensão superficial (72 mN/m para a interface água-ar), θ é o ângulo de contato e r é o raio interno do tubo. Quando r=0.1 mm, essa pressão pode chegar a 1,4 kPa, equivalente a 10 cm de coluna d’água. Revestimentos hidrofílicos (com um ângulo de contato de 30-40 graus) podem reduzir essa resistência em 20%, mas podem aumentar a adsorção de proteínas. A superfície biomimética super{14}}lisa recém-desenvolvida, ao bloquear a camada líquida lubrificante através de estruturas micro-nano, pode atingir um fluxo quase sem atrito com um ângulo de contato próximo de 0 grau.

A pesquisa sobre a dinâmica do fluxo do jato na ponta da agulha indica que depois que o medicamento líquido sai da ponta da agulha, ele forma três estados de fluxo típicos: jato contínuo (We > 100), fluxo de gotículas (4 < We < 100) e fluxo atomizado (We < 4). O número de Weber We=ρv²d/ representa a razão entre a força inercial e a tensão superficial. O estado ideal para injeção de insulina é o fluxo de gotas com We=20 - 40, no qual o diâmetro da gota é de aproximadamente 0.5 - 0.8 mm, formando uma área ideal de deposição no tecido. A simulação de dinâmica de fluidos computacional mostra que o ângulo de difusão do fluxo de líquido gerado pela ponta da agulha de cinco{10}}inclinações é de 8 - 12 graus, enquanto o da ponta da agulha de inclinação tradicional é de 15 - 20 graus, indicando que o novo design pode reduzir a faixa de distribuição do medicamento líquido em 40%.

As propriedades não -newtonianas do sangue durante a coleta exigem tratamento especial. O sangue exibe comportamento de afinamento por cisalhamento em baixas taxas de cisalhamento, com a viscosidade aparente caindo de 4-5 cP em repouso para 3-3,5 cP a uma taxa de cisalhamento de 100 s⁻¹. O design dos sistemas de coleta de sangue a vácuo precisa ser ajustado com precisão: para sangue com hematócrito de 45%, com agulha 21G e pressão negativa de -40 kPa, a taxa de cisalhamento é de aproximadamente 3.000 s⁻¹. Neste ponto, o sangue é aproximadamente um fluido newtoniano (com viscosidade de 3,2 cP), e a vazão pode chegar a 40 ml/min. Se uma agulha fina 25G for usada, a taxa de cisalhamento aumenta para 12.000 s⁻¹ na mesma pressão negativa, o que pode desencadear a ativação plaquetária induzida por cisalhamento.

A interação-estreita do medicamento é crucial para a estabilidade. Drogas-à base de proteínas aderem às superfícies metálicas seguindo a isoterma de Langmuir. A capacidade máxima de adsorção do aço inoxidável 316L para insulina é de aproximadamente 0,8 ug/cm². Um revestimento de silicone pode reduzir a adsorção para 0,2 ug/cm², mas pode liberar gotículas de óleo de silicone (com diâmetro de 0.5 - 5 μm), desencadeando uma resposta imunológica. O recém-desenvolvido revestimento de polietilenoglicol ligado covalentemente (PEG) forma um pincel molecular de 2-3 nm por ligação enxofre-ouro na parede interna do tubo da agulha, resultando em uma capacidade de adsorção de proteína inferior a 0,05 ug/cm² e sem substâncias lixiviáveis.

O controle da turbulência é crucial para certos medicamentos. Drogas de moléculas grandes, como anticorpos monoclonais, podem sofrer alterações conformacionais quando a taxa de cisalhamento é superior a 10.000 s⁻¹. A nova agulha laminar incorpora placas guia em espiral no lúmen, convertendo a energia do fluxo em energia cinética rotacional, mantendo assim a taxa de cisalhamento abaixo de 5.000 s⁻¹. Experimentos em animais mostraram que após a injeção do trastuzumabe através da agulha tradicional, a atividade de ligação ao antígeno diminuiu 8%, enquanto diminuiu apenas 2% quando injetado através da agulha laminar. Este design também reduz fenômenos de cavitação e reduz a geração de microbolhas dos convencionais 0,3 ml/min para 0,05 ml/min.