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Il sistema di iniezione sottocutanea è essenzialmente un dispositivo microfluidico che segue leggi di trasporto uniche. In uno stato di flusso laminare con un numero di Reynolds Re < 100, il flusso della soluzione del farmaco è dominato da forze viscose. Secondo l'equazione di Hagen-Poiseuille modificata, la portata volumetrica Q attraverso il tubo dell'ago è data da Q=πΔP(D⁴ - d⁴) / (128μL), dove D è il diametro interno e d è il diametro del nucleo dell'ago (se presente) e μ è la viscosità dinamica. Per un ago 27G comunemente utilizzato (diametro interno 0,21 mm) sotto spinta standard, la portata della soluzione acquosa è di circa 0,15 ml/s, mentre la portata di una sospensione con una viscosità di 50 cP scende a 0,03 ml/s. A questo punto è necessario utilizzare un ago da 22G (diametro interno 0,41 mm) per mantenere un tempo di iniezione ragionevole.

L'effetto della tensione superficiale non può essere ignorato nei flussi su scala micro-. La superficie curva del liquido formata all'interno di una siringa genera una pressione aggiuntiva ΔP=2 cosθ/r, dove è il coefficiente di tensione superficiale (72 mN/m per l'interfaccia acqua-aria), θ è l'angolo di contatto e r è il raggio interno del tubo. Quando r=0.1 mm, questa pressione può raggiungere 1,4 kPa, equivalenti a 10 cm di colonna d'acqua. I rivestimenti idrofili (con un angolo di contatto di 30-40 gradi) possono ridurre questa resistenza del 20%, ma possono aumentare l'adsorbimento delle proteine. La superficie biomimetica super-liscia di nuova concezione, bloccando lo strato di liquido lubrificante attraverso micro-nanostrutture, può ottenere un flusso quasi senza attrito con un angolo di contatto prossimo a 0 gradi.

La ricerca sulla dinamica del flusso del getto dalla punta dell'ago indica che dopo che il medicinale liquido lascia la punta dell'ago, forma tre stati di flusso tipici: getto continuo (We > 100), flusso di goccioline (4 < We < 100) e flusso atomizzato (We < 4). Il numero di Weber We=ρv²d/ rappresenta il rapporto tra la forza inerziale e la tensione superficiale. Lo stato ottimale per l'iniezione di insulina è il flusso di goccioline con We=20 - 40, in cui il diametro delle goccioline è di circa 0.5 - 0.8 mm, formando un'area di deposizione ideale nel tessuto. La simulazione fluidodinamica computazionale mostra che l'angolo di diffusione del flusso di liquido generato dalla punta dell'ago a cinque-inclinazione è di 8 - 12 gradi, mentre quello della punta dell'ago con pendenza tradizionale è di 15 - 20 gradi, indicando che il nuovo design può ridurre l'intervallo di distribuzione del medicinale liquido del 40%.

Le proprietà non-newtoniane del sangue durante il prelievo richiedono una gestione speciale. Il sangue mostra un comportamento di assottigliamento al taglio a basse velocità di taglio, con la viscosità apparente che scende da 4-5 cP a riposo a 3-3,5 cP a una velocità di taglio di 100 s⁻¹. La progettazione dei sistemi di raccolta del sangue sotto vuoto deve essere adattata con precisione: per il sangue con un ematocrito del 45%, con un ago da 21 G e una pressione negativa di -40 kPa, la velocità di taglio è di circa 3000 s⁻¹. A questo punto il sangue è approssimativamente un fluido newtoniano (con una viscosità di 3,2 cP) e la portata può raggiungere i 40 ml/min. Se viene utilizzato un ago sottile da 25G, la velocità di taglio aumenta fino a 12.000 s⁻¹ alla stessa pressione negativa, il che può innescare l'attivazione piastrinica indotta dallo taglio.

L'interazione stretta tra farmaci-è cruciale per la stabilità. I farmaci a base di proteine- aderiscono alle superfici metalliche seguendo l'isoterma di Langmuir. La capacità massima di assorbimento dell'acciaio inossidabile 316L per l'insulina è di circa 0,8 ug/cm². Un rivestimento in silicone può ridurre l'adsorbimento a 0,2 ug/cm², ma può rilasciare goccioline di olio di silicone (con un diametro di 0.5 - 5 μm), innescando una risposta immunitaria. Il rivestimento di recente sviluppo di polietilenglicole (PEG) legato in modo covalente forma una spazzola molecolare da 2-3 nm mediante legame zolfo®-oro sulla parete interna del tubo dell'ago, determinando una capacità di adsorbimento proteico inferiore a 0,05 ug/cm² e nessuna sostanza rilasciabile.

Il controllo della turbolenza è fondamentale per alcuni farmaci. I farmaci con molecole di grandi dimensioni come gli anticorpi monoclonali possono subire cambiamenti conformazionali quando la velocità di taglio è maggiore di 10.000 s⁻¹. Il nuovo ago laminare incorpora piastre guida a spirale nel lume, convertendo l'energia del flusso in energia cinetica rotazionale, mantenendo così la velocità di taglio al di sotto di 5.000 s⁻¹. Esperimenti su animali hanno dimostrato che dopo l'iniezione di trastuzumab attraverso l'ago tradizionale, l'attività di legame dell'antigene è diminuita dell'8%, mentre è diminuita solo del 2% quando è stato iniettato attraverso l'ago laminare. Questo design riduce inoltre i fenomeni di cavitazione e riduce la generazione di microbolle dai convenzionali 0,3 ml/min a 0,05 ml/min.