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Le système d’injection sous-cutanée est essentiellement un dispositif microfluidique qui suit des lois de transport uniques. Dans un état d'écoulement laminaire avec un nombre de Reynolds Re < 100, l'écoulement de la solution médicamenteuse est dominé par les forces visqueuses. Selon l'équation de Hagen-Poiseuille modifiée, le débit volumétrique Q à travers le tube de l'aiguille est donné par Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), où D est le diamètre intérieur et d est le diamètre du noyau de l'aiguille (le cas échéant), et μ est la viscosité dynamique. Pour une aiguille 27G couramment utilisée (diamètre intérieur 0,21 mm) sous poussée standard, le débit de la solution aqueuse est d'environ 0,15 ml/s, tandis que le débit d'une suspension de viscosité 50 cP chute à 0,03 ml/s. À ce stade, une aiguille 22G (diamètre intérieur 0,41 mm) doit être utilisée pour maintenir un temps d'injection raisonnable.

L'effet de tension superficielle ne peut pas être ignoré dans les écoulements à micro-échelle. La surface liquide incurvée formée à l'intérieur d'une seringue génère une pression supplémentaire ΔP=2 cosθ/r, où est le coefficient de tension superficielle (72 mN/m pour l'interface eau-air), θ est l'angle de contact et r est le rayon intérieur du tube. Lorsque r=0.1 mm, cette pression peut atteindre 1,4 kPa, équivalent à 10 cm de colonne d'eau. Les revêtements hydrophiles (avec un angle de contact de 30-40 degrés) peuvent réduire cette résistance de 20 %, mais peuvent augmenter l'adsorption des protéines. La surface biomimétique ultra lisse nouvellement développée, en verrouillant la couche de liquide lubrifiant à travers des structures micro-nano, peut obtenir un écoulement presque sans friction avec un angle de contact proche de 0 degré.

La recherche sur la dynamique du flux de jet de la pointe de l'aiguille indique qu'une fois que le médicament liquide quitte la pointe de l'aiguille, il forme trois états d'écoulement typiques : jet continu (We > 100), flux de gouttelettes (4 < We < 100) et flux atomisé (We < 4). Le nombre de Weber We=ρv²d/ représente le rapport entre la force d'inertie et la tension superficielle. L'état optimal pour l'injection d'insuline est le flux de gouttelettes avec We=20 - 40, auquel le diamètre des gouttelettes est d'environ 0.5 - 0.8 mm, formant une zone de dépôt idéale dans le tissu. La simulation informatique de la dynamique des fluides montre que l'angle de diffusion du flux de liquide généré par la pointe de l'aiguille à cinq-pentes est de 8 - 12 degrés, tandis que celui de la pointe de l'aiguille à pente traditionnelle est de 15 - 20 degrés, ce qui indique que la nouvelle conception peut réduire la plage de distribution du médicament liquide de 40 %.

Les propriétés non-newtoniennes du sang lors du prélèvement nécessitent une manipulation particulière. Le sang présente un comportement fluidifiant par cisaillement à de faibles taux de cisaillement, la viscosité apparente passant de 4-5 cP au repos à 3-3,5 cP à un taux de cisaillement de 100 s⁻¹. La conception des systèmes de prélèvement sanguin sous vide doit être adaptée avec précision : pour du sang avec un hématocrite de 45 %, avec une aiguille de 21 G et une pression négative de -40 kPa, le taux de cisaillement est d'environ 3 000 s⁻¹. À ce stade, le sang est approximativement un fluide newtonien (avec une viscosité de 3,2 cP) et le débit peut atteindre 40 ml/min. Si une aiguille fine de 25 G est utilisée, le taux de cisaillement augmente jusqu'à 12 000 s⁻¹ à la même pression négative, ce qui peut déclencher l'activation plaquettaire induite par le cisaillement.

L'interaction médicamenteuse-étroite est cruciale pour la stabilité. Les médicaments à base de protéines-adhèrent aux surfaces métalliques selon l'isotherme de Langmuir. La capacité maximale d'adsorption de l'acier inoxydable 316L pour l'insuline est d'environ 0,8 ug/cm². Un revêtement de silicone peut réduire l'adsorption à 0,2 ug/cm², mais il peut libérer des gouttelettes d'huile de silicone (d'un diamètre de 0.5 - 5 μm), déclenchant une réponse immunitaire. Le nouveau revêtement de polyéthylène glycol (PEG) lié de manière covalente forme une brosse moléculaire de 2 -3 nm par liaison soufre-or sur la paroi interne du tube de l'aiguille, ce qui entraîne une capacité d'adsorption des protéines inférieure à 0,05 ug/cm² et aucune substance lixiviable.

Le contrôle de la turbulence est crucial pour certains médicaments. Les médicaments à grosses molécules tels que les anticorps monoclonaux peuvent subir des changements de conformation lorsque le taux de cisaillement est supérieur à 10 000 s⁻¹. La nouvelle aiguille laminaire intègre des plaques de guidage en spirale dans la lumière, convertissant l'énergie du flux en énergie cinétique de rotation, maintenant ainsi le taux de cisaillement en dessous de 5 000 s⁻¹. Des expériences sur des animaux ont montré qu'après l'injection du trastuzumab par l'aiguille traditionnelle, l'activité de liaison à l'antigène diminuait de 8 %, alors qu'elle diminuait de seulement 2 % lorsqu'elle était injectée par l'aiguille laminaire. Cette conception réduit également les phénomènes de cavitation et réduit la génération de microbulles de 0,3 ml/min conventionnel à 0,05 ml/min.