Biuletyn Informacyjny Nr 1/2004

Komitet Redakcyjny w składzie: Andrzej Chwojnowski, Ludomira Granicka, Piotr Ładyżyński, Ewa Łukowska i Aleksander Sobieszek

XIII Krajowa Konferencja Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna

15 lat działalności

16 kwietnia 2004 roku odbyły się uroczyste obchody 15-lecia działalności Międzynarodowego Centrum Biocybernetyki PAN. Zaproszeni z całego świata goście wygłosili wykłady okolicznościowe.

Międzynarodowe Centrum Biocybernetyki (MCB) działa w ramach Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk. MCB zostało założone przez Profesora Doktora Macieja Nałęcza w 1988 r., w czasie, kiedy inżynieria biomedyczna była młodą nauką w porównaniu z klasycznymi naukami, takimi jak fizyka, chemia, czy medycyna. Międzynarodowa współpraca, tak pożądana przez specjalistów inżynierii biomedycznej, była bardzo ograniczona, w porównaniu z dzisiejszymi czasami. Przepływ informacji był o wiele wolniejszy niż dzisiaj: fax dopiero wchodził do użycia, a o poczcie elektronicznej nikt jeszcze nie słyszał. Mimo tych wszystkich problemów, Prof. dr M.Nałęcz zrealizował pomysł stworzenia Międzynarodowego Centrum Biocybernetyki, które w dniach dzisiejszych jest domem inżynierii biomedycznej dla całego świata.

Dzisiaj Centrum mieści się w kompleksie pięciu budynków, które zawierają również hotel dla gości. W ciągu 15 lat istnienia 4700 naukowców z 43 krajów uczestniczyło w 73 seminariach i konferencjach. Pełne teksty wykładów opublikowano w 49 książkach. Duży nacisk zawsze jest kładziony na młodych naukowców i doktorantów dając im możliwość zaprezentowania swoich wynalazków i prac badawczych oraz spotkania z uznanymi specjalistami w swoich dziedzinach.

MCB korzysta z pomocy pracowników naukowych Instytutu i z obsługi jego działów administracyjno - finansowych. Posiada oddzielną Radę Naukową, w której zasiada 23 naukowców z 17 krajów. Prace Centrum reguluje Porozumienie Stron podpisane przez przedstawicieli instytucji naukowych wchodzących w skład Centrum. W myśl tego Porozumienia Dyrektor Centrum jest nominowany przez Prezesa PAN.

Centrum jest kooperantem i organizatorem współpracy dwustronnej między różnymi ośrodkami zajmującymi się inżynierią biomedyczną. W ramach współpracy polsko - japońskiej odbyły się seminaria w latach: 1989, 1996, 1998, 1999, 2001, 2003, na tematy: sensory biomedyczne, sztuczne narządy, systemy biologiczne, pomiary biomedyczne i nowe metody diagnostyki medycznej. Współpraca między Polską a USA zaowocowała trzema seminariami w roku 1993 i jednym w 1994. W tematyce seminariów znalazły się: sztuczna trzustka, intensywne dozowanie insuliny, modelowanie procesów w medycynie i biologii oraz matematyczne i fizyczne modelowanie biosystemów i organów.

Centrum stworzyło nową jakość naukowej współpracy między różnymi laboratoriami, którą nazywamy po angielsku Study Groups. Powstały następujące Grupy Badawcze:

  • Pomiary biochemiczne
  • Ultradźwięki w biopomiarach, diagnostyce i terapii
  • Optoelektronika i diagnoza medyczna
  • Badanie bioimpedancji
  • Biomechanika. Robotyka biomedyczna
  • Biomechanika i system ruchu człowieka
  • Statystyka i praktyka kliniczna
  • Wysoko-rozdzielcza elektro- i magnetokardiografia
  • System oddechowy i krwionośny
  • Enkapsulacja komórek
  • Sztuczna Trzustka

Zadaniem tych grup jest badanie wybranych problemów inżynierii biomedycznej oraz współpraca w ramach międzynarodowych programów w naukowych.

Dzięki tej współpracy powstało wiele publikacji oraz zrealizowano z powodzeniem wiele grantów i projektów. Nie przypadkowo Centrum jest członkiem UNESCO Światowej Sieci Biologii Molekularnej i Komórkowej oraz działa w ramach Centrum Współpracy Badań i Szkoleń w Dziedzinach Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, przy WHO.

Oficjalnym czasopismem Centrum jest "Biocybernetics and Biomedical Engineering". Pełne teksty wykładów wygłoszonych na seminariach MCB są publikowane w "Lecture Notes of the ICB Seminars".

Opisy działalności, seminariów i konferencji, których organizatorem było Międzynarodowe Centrum Biocybernetyki zostały zamieszczone w dwóch publikacjach wydanych z okazji 15-lecia działalności Centrum: "Activities of the international Centre of Biocybernetics Polish Academy of Science - 1988-2003".

Ewa Łukowska

Prezentacje zespołów badawczych

Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN
Zakład Biopomiarów i Bioregulacji
Pracownia Przetworników Biochemicznych
Kierownik - prof. dr hab. inż. Władysław Torbicz
Tel.: +48 (22) 659 55 34, fax: +48 (22) 659 70 30, e-mail: Torbicz@ibib.waw.pl

Tematyka badawcza: Metody oraz półprzewodnikowe czujniki i systemy do badania wielkości biochemicznych.
Zespół badawczy: Prof. dr hab. W. Torbicz, doc. dr hab. I. Zawicki, dr inż. D.G. Pijanowska, dr inż. M. Dawgul, dr M. Maliszewska-Mazur, mgr E. Remiszewska, mgr inż. T. Trybun, mgr inż. A. Krzyków, techn. J. Kruk

Od początku lat 80. badania Pracowni dotyczyły głównie półprzewodnikowych czujników i bioczujników chemicznych. Zostały one zapoczątkowane w Polsce przez zespół pod kierunkiem prof. W. Torbicza. W czujnikach tych głównym elementem detekcyjnym są membrany czułe chemicznie, w tym membrany z unieruchomionymi wymieniaczami jonowymi (jonoforami), enzymami i przeciwciałami. Wymienione urządzenia stosuje się do pomiaru stężeń substancji biochemicznych dla potrzeb diagnostyki medycznej, w przemyśle spożywczym i ochrony środowiska.

Przetwornikami podstawowymi w rozważanych bioczujnikach są, w większości przypadków, tranzystory polowe czułe na jony wodorowe (pH-ISFETy). Opracowano kilka rodzajów takich czujników z membranami bramkowymi z azotku krzemu i boru, tlenków cyrkonu, tytanu i hafnu oraz technologię ich wykonywania [1-11, 40,41]. Przeprowadzono analizę zjawisk zachodzących w półprzewodnikowych czujnikach chemicznych i opracowano modele matematyczne opisujące ich działanie [4,5,7,8]. Strukturą wykorzystywaną w Pracowni do budowy bioczujników jest ISFET z azotkiem krzemu w obszarze bramkowym. Struktury te są wytwarzane w Instytucie Technologii Elektronowej (ITE) w Warszawie. Ponadto opracowano ISFETy do pomiaru stężeń jonów metali lekkich (potasu, sodu, wapnia) i jonów amonowych, w których odpowiednie jonofory są unieruchamiane w organicznej membranie bramkowej [4,12-17].

W Pracowni są prowadzone prace dot. bioczujników enzymatycznych mocznika, trójglicerydów, pestycydów i jonów metali ciężkich. Bioczujniki mocznika wykonano w dwóch wersjach: z detekcją jonów wodorowych (pH) i jonów amonowych, jako produktów reakcji enzymatycznej z udziałem ureazy [11,15,18-23]. Bioczujniki pestycydów i jonów metali ciężkich były oparte na pomiarze stopnia hamowania, przez te substancje, aktywności acetylocholinoesterazy w reakcji enzymatycznej rozkładu acetylocholiny, prowadzącej do powstania kwasu octowego, którego stężenie było oznaczane za pomocą detektora typu ISFET [24-27]. W bioczujnikach trójglicerydów wykorzystano pomiar pH związany z powstaniem kwasów tłuszczowych jako produktów hydrolizy trójglicerydów z udziałem lipazy [28,29]. Opracowane czujniki jonów i bioczujniki mocznika były wykorzystane w badaniach laboratoryjnych do pomiaru parametrów płynów biologicznych w warunkach in vitro i in vivo, m.in. do oceny procesu dializy otrzewnowej u zwierząt doświadczalnych [11,18,19,21].

Podjęto prace nad bioczujnikami immunologicznymi, wykorzystującymi specyficzne oddziaływania między określonymi antygenami i przeciwciałami. Opracowano modele bioczujników na wybrane antygeny [30].

Innym kierunkiem badań prowadzonym przez zespół są prace nad miniaturowymi systemami do całościowej analizy przepływowej (micro total analysis systems - mTAS). Układy te dają możliwość analizy biochemicznej próbek o bardzo małej objętości, przy całkowitej automatyzacji pomiarów. Automatyzacja pomiarów jest możliwa dzięki integracji bloków funkcyjnych, takich jak: blok transportu próbki (mikropompy, mikrozawory, kanały mikroprzepływowe), blok wstępnego przygotowania próbki (mieszalnik, bioreaktor) oraz blok detekcji w postaci czujników (bio)chemicznych. Przedstawione wcześniej czujniki i bioczujniki mogą być wykorzystywane w tych urządzeniach jako detektory. Wspólnie z ITE wykonano w krzemie modele miniaturowych bioreaktorów z urazą unieruchamianą w kanale przepływowym bioreaktora [31-37].

W urządzeniach pomiarowych wykorzystujących tranzystorowe czujniki chemiczne i bioczujniki, konieczne jest stosowanie specjalnych elektronicznych układów zasilających i sterujących. Opracowano takie urządzenia i układy [10, 38,39,42,43]. W celu zapewnienia ich miniaturyzacji, są one scalane we współpracującym z Pracownią ośrodku naukowym na Tajwanie.

  1. D.Sobczyńska, W.Torbicz, ZrO2 gate pH sensitive field effect transistor, Sensors and Actuators, v.6, 1984, p. 93.
  2. D. Sobczyńska., W.Torbicz., A.Olszyna, W.Włosiński, Borazon gate pH sensitive field effect transistor, Analyt. Chim. Acta, v.171, 1985, p.375.
  3. A.Olszyna, W.Włosiński, D. Sobczyńska, W. Torbicz, A study of borazone gate pH sensitive field effect transistors, J. Crystals Growth, 1987, v.82, 757-760.
  4. W.Torbicz, Teoria i własności tranzystorów polowych jako czujników biochemicznych, Praca habilitacyjna, Ossolineum, 1988.
  5. W.Torbicz, Z.Sypniewska: An extended model of the electrolyte/hydrogen ion sensitive field effect transistor system, Sensors and Actuators B, v.7, 1992, p.565.
  6. W.Łada, A.Deptuła, W.Torbicz, D.Pijanowska, A. Di Bartolomeo, Preparation of thin SnO2 layers by inorganic sol-gel process, J. Sol-Gel Sci.Technol., v.2, 1994, pp.551-554.
  7. W.Torbicz, Z.Sypniewska, R.Erbach, B.Hoffmann, An analysis of the pH-sensitive multilayer LB film/semiconductor structures, Sensors and Actuators, B18-19, 1994, 336.
  8. W.Torbicz, Z.Sypniewska, D.Pijanowska: Modelowanie potencjometrycznych półprzewodnikowych czujników stężeń jonów, Prace IBIB PAN, n.44, Warszawa, 1995.
  9. D.Pijanowska, W.Torbicz, Long-term stability of Si3N4, Al2O3 and Ta2O5 gate pH-ISFETs, Proc. of SPIE-The Int. Society for Optical Engineering on Optoelectronic and Electronic Sensors, USA, 1995, Vol.2634, pp.210-214.
  10. W.Torbicz, D.Pijanowska, ISFETs instability problems and methods of their minimizations for long-term pH monitoring purposes, Biocyb. and Biomed. Eng., v.16, No 1-2, 1996, pp.71-92.
  11. D.G. Pijanowska, Analysis of factors determining parameters of ion sensitive field effect transistors as the sensors of biochemical quantities, Prace IBIB, Zeszyt nr 46, Warszawa, 1996.
  12. Z.Brzózka, M.Dawgul, D.Pijanowska, W.Torbicz, Development of NH4+-sensitive polymer membranes for long-term performance microsensor, Proc. of SPIE-The international society for optical engineering, v.3054, Optoelectronic and Electronic Sensors, 1996, pp.187-196.
  13. Z.Brzózka, M.Dawgul, D.Pijanowska, W.Torbicz, Durable NH4+-sensitive CHEMFET, Sensors and Actuators, B, , 1997, v. 44, 1-3, pp.527-531.
  14. D.G.Pijanowska, E.Luboch, J.F.Biernat, M.Dawgul, W.Torbicz, Na+-selective ChemFETs based on novel ionophore: bis(phenylbenzo)-13-azocrown-5, Sensors and Actuators B 58, 1999, 384-388.
  15. M.Dawgul, Półprzewodnikowe czujniki i bioczujniki oparte na detekcji jonów amonowych, Praca doktorska, IBIB PAN, 2000.
  16. Z.Brzózka, W.Torbicz, E.Malinowska, A.Dybko, W.Wróblewski; Long term performance of ion-selective membranes; Biocybernetics and Biomedical Engineering; 2001; 21, 37-48
  17. M.Dawgul, D.G. Pijanowska, A.Krzysków, J.Kruk, W.Torbicz, An influence of polyHEMA gate layer on properties of ChemFETs, Sensors, 2003, 3, pp.146-159.
  18. D.G.Pijanowska, W.Torbicz, pH-ISFET based urea biosensor, Sensors and Actuators, B., 1997, v. 44, n.1-3, pp.370-376.
  19. W.Torbicz, D Pijanowska., The EnFET type biosensors for urea measurements, Biocyber. and Biomed. Eng., v. 17, n. 3-4, 1997, pp.141-149.
  20. M.Dawgul, D.G.Pijanowska, Z.Brzózka, W.Torbicz, Urea biosensor based on a durable NH4-sensitive CHEMFET, Proceedings of Eurosensors XIII, The Hague, TheNetherlands, Sept. 12-15, 1999, 305-307.
  21. W.Torbicz, D. Pijanowska; Urea biosensors and their applications in hemodialysis - Perspective of EnFET application, Frontiers of Medical and Biological Engineering; 2000, 10, 2, 117-129.
  22. D.G. Pijanowska, N.Jaffrezic-Renault, C.Martelet, W.Torbicz; ISFET type urea biosensors for biomedical applications, in: "Recent Research Developments in Electroanalytical Chemistry" ; Transworld Research Network, Trivandrum, Chapter 3 India, 2001.
  23. G.Dorota Pijanowska, M.Dawgul, W.Torbicz, Comparison of Urea determination in biological samples by EnFETs based on pH and pNH4 detection, Sensors, 3, 2003, pp.160-165.
  24. N.F.Starodub, W.Torbicz, D.Pijanowska, N.Kanjuk, M.Dawgul, A.S.Ternovoj, Phosphororganic pesticide control in some vegetables by enzymatic sensors based on ISFETs, Proc. of Eurosensors X, Sept. 8-11, 1996, Leuven, Belgium Vol.3, pp.925-928
  25. N.F.Starodub, W.Torbicz, V.Starodub., N.Kanjuk, M.Dawgul, D.Pijanowska, K.S.Ternovoj, Control of heavy metal ion level in some vegetables by enzymatic sensors based on the ISFETs, Proc. of Eurosensors XI, Warsaw, Poland, Sept. 21-24, 1997, pp.1233-1236.
  26. N.F.Starodub, W.Torbicz, D.Pijanowska, V.M.Starodub, M.I.Kanjuk, M.Dawgul, Optimisation methods of enzyme integration with transducers for analysis of irreversible inhibitors, Sensors and Actuators B58, 1999, 420 - 426.
  27. V.M.Starodub, A.V.Nabok, N.F.Starodub, W.Torbicz, Approaches for structured immobilisation of recognizing elements on the transducer surface of biosensors, in: Y.G.Gogotsi and I.V.Uvarova (eds), Nanostructured Materials and Coatings for Biomedical and Sensor Application,Kluwer Academic Publishers,2003,pp. 311-325.
  28. D.G.Pijanowska, A.Baraniecka, G.Ginalska, R.Wiater, J.Łobarzewski, W.Torbicz; The pH-detection of triglycerides; Sensors and Actuators B; 2001
  29. D. G. Pijanowska, W. Torbicz; Potentiometric method for triglycerides determination,; Technology and Health Care, 9(1-2). 2001; 91-93.
  30. B.Kazimierczak, A.Baraniecka, D.Pijanowska, M.Dawgul, J.Kruk, A.Krzyśków, W.Torbicz, Immunological reactions in potentiometric sensors, Proc of SPIE, 4887, 2002, pp. 137-140.
  31. D.G.Pijanowska, E.Remiszewska, W.Torbicz, ; Immobilization of bioreceptors for microreactors, ; Proc. of the Int. Meeting on Chem. Sensors (IMCS), ; Boston, 2002, 409-410.
  32. D.G.Pijanowska, E.Remiszewska, W.Torbicz, ; Methods of immobilization of bioreceptors for biosensors, ; Proceedings of the 2nd European Medical and Biological Engineering Conf. EMBEC'02, ; Vienna, 2002, 296-297.
  33. D.G. Pijanowska, E. Remiszewska, J.Łysko, J.Jaźwiński, W. Torbicz, Immobilization of bioreceptors for microreactors, Sensors and Actuators B, 91/1-3, 2003, pp.152-157.
  34. P.Bergveld, A.J.Sprenkels, W.Olthuis, D.G.Pijanowska, H. van der Linden,; A flow-through potentiometric and amperometric sensor array, in: Comprehensive Analytical Chemistry, Elsevier 2003, pp.625-663.
  35. D.G.Pijanowska, A.J.Sprenkels, W.Olthuis, P.Bergveld, A flow-through amperometric sensor for micro analytical systems, Sensors and Actuators B, 91/1-3, 2003, pp.98-102.
  36. S.Böhm, D.Pijanowska, W.Olthuis, P.Bergveld; A flow-through amperometric sensor based on dialysis tubing and free enzyme reactors, The XIV European Conference on Solid?State Transducers, Copenhagen, Denmark, ; EUROSENSORS XIV; Aug. 27?30, 2000, 31?32 (Extended Abstracts on CD, 43?45.
  37. D. Wen-Yaw Chung, D. G. Pijanowska, W. Torbicz, Pei-Chen Wang, Heh-Sen Lin, J. Hsieh, Gow-Long D. Ming-Yi You; CMOS Integrated Circuit and System Design for Ion-Sensitive FET-based Biosensor Applications; Biocybernetics and Biomedical Engineering 2001; 21, 87-106.
  38. Chung W.-Y., Yang C.-H., Wang Y.-F., Chan Y.-J., Torbicz W., Pijanowska D.G., ; 3V based pH-meter chip implementation using ASIC design methodology, ; Proc. of the Int. Meeting on Chem. Sensors (IMCS), ; Boston, 2002, 179-180.
  39. D.G.Pijanowska, A.J.Sprenkels, H.van der Linden, W.Olthuis, P.Bergveld and A.van den Berg, A flow-through potentiometric sensor for an integrated microdialysis system, EUROSENSORS XVII, Guimaraes, Portugal, Sept. 21-24, 2003 pp.452-455.
  40. D.Sobczyńska, W.Torbicz, A.Olszyna, A.Sokołowska, W.Włosiński: Tranzystor polowy czuły na jony wodorowe, Patent Nr 136636, 1982.
  41. W. Torbicz, D. Sobczyńska, R. Kowalczyk: Półprzewodnikowy przetwornik czuły na jony wodorowe, Patent Nr 142695, 1984.
  42. A.Krzyśków, D.Pijanowska, J.Kruk: Regulator punktu pracy czujnika chemicznego typu tranzystor polowy ISFET, Patent Nr 178242, 1996.
  43. Wen-Yaw CHUNG, A.Krzyskow, Yeong-Tsair LIN, D.G.Chung-Huang YANG, W.Torbicz, Ion Sensing Circuit, US Patent Pending, August 2003.

Władysław Torbicz

Wykaz konferencji naukowych związanych z biocybernetyką i inżynierią biomedyczną można znaleźć na stronie PTIB.