Willemen combineert in haar onderzoek immuniteit en chronische pijn. Daarbij maakt ze gebruik van innovatieve methoden, zo bestudeert ze cellen in petrischaaltjes in plaats van proefdieren.

Haar onderzoek voert Willemen uit binnen het Center for Translational Immunology als lid van de Eijkelkamp Group. Door onderzoek naar interacties tussen het immuunsysteem en het zenuwstelsel wil deze groep betere behandelingen ontwikkelen voor mensen die lijden aan moeilijk te behandelen chronische pijn. Maar liefst twintig procent van de bevolking lijdt hier aan.

Daarnaast is Willemen lid van het Centre for Unusual Collaborations (CUCo), één van de kerngroepen binnen het samenwerkingsverband tussen de TU Eindhoven, Wageningen University & Research, Universiteit Utrecht en UMC Utrecht. Dit centrum werkt aan oplossingen door ongebruikelijke samenwerkingen tussen jonge academici te stimuleren.