BIO-PIX: Rozwój biosensorów fotonicznych nowej generacji dzięki badaniom interdyscyplinarnym

Politechnika Warszawska pozyskała finansowanie w wysokości blisko 1 mln zł z Narodowego Centrum Nauki (NCN) w ramach konkursu OPUS na realizację projektu badawczego „BIO-PIX: Biosensing with Photonic Integrated Circuits for Model Biomarker Detection in Inflammatory Pathways" (Bioczujniki oparte na fotonicznych układach scalonych do wykrywania biomarkerów modelowych w drogach zapalnych). Łącząc kompetencje z zakresu fotoniki scalonej, technologii wytwarzania i chemii molekularnej, zespół dąży do opracowania nowej generacji wysoce czułych biosensorów fotonicznych. 

Kierownikiem projektu jest dr Muhammad Ali Butt, adiunkt w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych. Jest on badaczem o ugruntowanej pozycji międzynarodowej w dziedzinie fotoniki scalonej, nanofotoniki i biosensoryki optycznej oraz autorem ponad 220 publikacji naukowych w wiodących czasopismach międzynarodowych. Jego badania koncentrują się na projektowaniu, wytwarzaniu i eksperymentalnej realizacji fotonicznych układów scalonych na potrzeby biodetekcji, telekomunikacji optycznej oraz technologii lab-on-a-chip. W skład zespołu BIO-PIX wchodzą również dr inż. Bartosz Janaszek i mgr inż. Marcin Kieliszczyk. Projekt realizowany jest we współpracy z naukowcami z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej oraz Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT. 

Celem projektu BIO-PIX jest opracowanie nowej generacji scalonych biosensorów fotonicznych, zdolnych do wykrywania biomarkerów chorobowych z niespotykaną dotąd czułością, precyzją i niezawodnością. 

– Prace obejmują zaprojektowanie, wytworzenie i eksperymentalną walidację innowacyjnej platformy biosensorycznej na bazie azotku krzemu, opartej na nowatorskiej architekturze asymetrycznego interferometru Macha–Zehndera zakończonego pętlowym zwierciadłem Sagnaca (a-LT-MZI). Dzięki połączeniu zaawansowanej inżynierii fotonicznej z wysoce selektywną chemią rozpoznania molekularnego opracowane biosensory umożliwią wykrywanie w czasie rzeczywistym skrajnie niskich stężeń istotnych klinicznie biomarkerów, bez konieczności stosowania znaczników fluorescencyjnych czy radioaktywnych – mówi dr Muhammad Ali Butt z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, kierownik projektu. – Technologia ta ma znaczący potencjał we wczesnej diagnostyce chorób zapalnych, schorzeń autoimmunologicznych, chorób zakaźnych i nowotworowych, a także w rozwoju kompaktowych systemów diagnostyki typu point-of-care.

Interdyscyplinarny projekt

Wyróżnikiem projektu BIO-PIX jest jego interdyscyplinarny charakter, łączący badaczy z Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki, CEZAMAT-u oraz Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej. Projekt integruje kompetencje z zakresu fotoniki scalonej, nanotechnologii, biosensoryki, chemii analitycznej i rozpoznania molekularnego, tworząc pełną ścieżkę badawczą, od inżynierii urządzeń fotonicznych, przez opracowanie interfejsu biochemicznego, po walidację eksperymentalną. Naukowcy z Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki odpowiadają za projektowanie i optymalizację numeryczną fotonicznych układów scalonych, modelowanie elektromagnetyczne oraz rozwój urządzeń nanofotonicznych, a także za charakteryzację optyczną. Zespół CEZAMAT odpowiada za wytwarzanie zaprojektowanych układów fotonicznych, natomiast naukowcy z Wydziału Chemicznego wnoszą wiedzę z zakresu funkcjonalizacji powierzchni, inżynierii warstw receptorowych oraz immobilizacji cząsteczek biologicznych, co umożliwi wysoce selektywne wykrywanie biomarkerów chorobowych. Ścisła współpraca nauk inżynieryjnych i chemicznych pozwoli na kompleksowe, interdyscyplinarne podejście do rozwoju biosensorów nowej generacji.

W ramach badań analizowane będą zaawansowane technologie falowodów fotonicznych, w tym falowody z siatką subfalową (SWG), falowody szczelinowe oraz falowody z jednowymiarowym kryształem fotonicznym (1D-PhC), które zostaną zintegrowane z nowatorską platformą a-LT-MZI, aby zmaksymalizować oddziaływanie światła z materią i znacząco zwiększyć czułość biosensorów. Opracowane urządzenia zostaną zoptymalizowane pod kątem bezznacznikowej detekcji istotnych klinicznie biomarkerów, w tym białka C-reaktywnego (CRP) oraz wybranych mikroRNA, które odgrywają zasadniczą rolę w procesach zapalnych i we wczesnej diagnostyce chorób. Skuteczne wdrożenie tych technologii pozwoli stworzyć uniwersalną platformę biosensoryczną, łatwą do dostosowania do innych celów biomedycznych, a w przyszłości także do zastosowań w monitorowaniu środowiska i bezpieczeństwie żywności.

Poza celami naukowymi projekt BIO-PIX ma wzmocnić międzynarodową rozpoznawalność badawczą Politechniki Warszawskiej poprzez rozwój kompetencji w obszarze fotoniki scalonej, biosensoryki i badań interdyscyplinarnych. Łącząc zaawansowaną inżynierię fotoniczną z chemią molekularną, wykonawcy projektu zmierzają do zbudowania wiarygodnej platformy technologicznej dla przyszłych biosensorów optycznych – kompaktowych, wysoce czułych i gotowych do pracy w warunkach rzeczywistych. Wyniki projektu BIO-PIX mają przyczynić się do rozwoju technologii diagnostycznych nowej generacji, umacniając jednocześnie pozycję Uczelni jako wiodącego ośrodka badań i innowacji w dziedzinie fotoniki scalonej i sensoryki biomedycznej.