Projektbeschreibung
Nadelfreie Injektion: Wie lassen sich die kleinen, kraftvollen Flüssigkeitsstrahlen besser kontrollieren?
Die Entwicklung verbesserter nadelfreier Methoden zur Injektion von Flüssigkeiten in weiche Substrate könnte in zahlreichen Bereichen, von der additiven Fertigung bis hin zur Wirkstoffabgabe, relevant werden. Bei diesen Methoden wird ein mikrofluidischer Flüssigkeitsstrom unter hohem Druck durch eine kapillarähnlichen Kanal mit sehr kleinem Öffnungsdurchmesser injiziert. Das Prinzip scheint zwar simpel, doch die praktische Umsetzung bot bisher einige Schwierigkeiten. Das EU-finanzierte Projekt BuBble Gun will jetzt ein sauberes Eindringen bis zur richtigen Tiefe erzielen, bei dem Rückspritzen oder Dispersion, die zu Kontamination führen oder die Dosis unberechenbar verändern, ausgeschlossen werden. Mithilfe einer Kombination aus experimentellen und numerischen Methoden charakterisiert das Forschungsteam zunächst die Prozessphasen, um Steuer- und Reproduzierbarkeit zu verbessern und so für eine möglichst weit verbreitete Anwendung zu sorgen.
Ziel
The needle-free delivery of liquid jets into soft and heterogeneous substrates, e.g. human tissue, has been hindered by (1) the need to reach specific penetration depths with energy efficient means, (2) the break-up of jets that impedes control over the dose delivery, and (3) liquid splash-back after impacting the substrate that cause cross-contamination between injections. BuBble Gun is aimed at overcoming these challenges. My team and I have recently uncovered new operational regimes of cavitation with continuous-wave lasers. My next goal is to study the energy partition between the creation of bubbles, the formation of liquid jets, and the penetration of these jets into soft substrates. Fundamental insights on energy partitioning will then be applied to achieve major breakthroughs in jet injection, by (1) controlling cavitation within microfluidic confinement, (2) tuning the rheology of jets emerging from confined cavitation, and (3) deriving the relationships between fluid dynamics and material properties governing jet injection into soft substrates. I expect to advance the knowledge at the intersection of microfluidics, physics, and bioengineering, to enable unprecedented control over cavitation, jetting, and injection phenomena. We will develop a portable energy- efficient injection platform by using ultra-high-speed imaging, and quantifying injections with experimental resolutions below the microsecond and micrometer scales. The rheological properties of the jets will be tuned with biocompatible additives to ensure cohesion, before injecting them into in-vitro targets and ex-vivo skin. Numerical models will assist untangling the influence of microfluidic configuration and material properties on the injection outcomes. The ultimate result will be the predictable, reproducible, and efficient injection of liquids that will enable a wide-range of technologies, such as additive manufacturing, coating modifications, the delivery of drugs and vaccinations.
Wissenschaftliches Gebiet
- natural sciencesphysical sciencesclassical mechanicsfluid mechanicsmicrofluidics
- natural sciencesphysical sciencesclassical mechanicsfluid mechanicsfluid dynamics
- engineering and technologymaterials engineeringcoating and films
- engineering and technologymechanical engineeringmanufacturing engineeringadditive manufacturing
- natural sciencesphysical sciencesopticslaser physics
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
7522 NB Enschede
Niederlande