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Humboldt-Forschungsstipendienprogramm für erfahrene Forscherinnen und Forscher
Nadeln und Spritzen gehören zwar zu den gängigen Methoden zur Verabreichung von Impfstoffen und dermatologischen Medikamenten, haben aber zahlreiche Nachteile, darunter unsichere Praktiken, Infektionsgefahr, Nadelphobie, mangelnde Wiederverwendbarkeit sowie Entsorgungs- und Umweltprobleme. Eine sichere Alternative für die Verabreichung von Impfstoffen und anderen immunologischen Produkten ist die nadelfreie Injektionsmethode (NFIM), bei der die Injektionsflüssigkeit mit einem durch einen Laserimpuls erzeugten Hochgeschwindigkeitsstrahl injiziert wird. Die wichtigsten Einschränkungen dieser Methode sind starke Schmerzen, unterschiedliche Eindringtiefe, unterschiedliche Größe der Hautlöcher, Hautreizungen usw. Viele dieser Einschränkungen haben ihre Wurzeln in der Strömungsdynamik des Strahls und werden durch unerwünschte Strahldispersion, Strahlaufweitung, Instabilitäten der Strahlströmung (z. B. Tröpfchenbildung), Zerstäubung oder Sprühnebel, Verformung der Strahlspitze, Spritzer, inhomogenes Eindringen in die Haut usw. verursacht. In diesem Zusammenhang schlägt mein interdisziplinäres Forschungsprojekt vor, die oben genannten Einschränkungen der NFIMs zu beseitigen, indem der Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl in eine viskoplastische Flüssigkeit eingetaucht wird, die den Raum zwischen dem flüssigen Arzneimittel und der Haut (den so genannten Stand-off) ausfüllt. Dieser risikoreiche Ansatz könnte es uns ermöglichen, eine viskoplastische Flüssigkeit zu verwenden, um den Strahl ordnungsgemäß zu umgeben und ihn auf eine stabile zylindrische Form zu begrenzen, die präzise/kontrollierbar in den Zielbereich der Haut eindringt, während die Strahlaufweitung und Strahlinstabilitäten (Aufbrechen) reduziert werden; anschließend kann der Strahl die gewünschte Eindringtiefe mit einer präzisen Eindringbreite/-form erreichen. Meine spezifischen Forschungsziele umfassen: (i) Untersuchung der Auswirkungen des Auffüllens des Abstands mit viskoplastischen Flüssigkeiten auf die Entwicklung der Strahlströmung, wodurch der Strahl möglicherweise stabilisiert und kontrolliert werden kann; (ii) Untersuchung der anschließenden Penetration des eingetauchten Strahls in ein mehrschichtiges Hautmodell; (iii) Analyse der Reaktion des Hautmodells auf die Strahlpenetration. Diese Ziele sollen durch neuartige Experimente und mathematische Modellierungsansätze erreicht werden.