Zainteresowaniem grupy badawczej – Laboratorium Przetwarzania Obrazów i Biometrii – są zagadnienia związane z wykorzystaniem mikroelementów optycznych i optyki włóknistej w zastosowaniach biologicznych i medycznych. Badania obejmują zarówno badania numeryczne, jak i wytwarzanie elementów optycznych, ich charakteryzację i końcowe zastosowanie. Przykładem elementów, jakimi zajmuje się zespół badawczy, są: mikrosonada do elektroporacji pojedynczych komórek, obrazowody o bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej, mikrosoczewki refrakcyjne i dyfrakcyjne, układy obrazujące. Zespół zajmuje się również przetwarzaniem obrazów, w szczególności związanych z badaniami medycznymi.

Tematyka badawcza

Celem zespołu badawczego jest wykorzystanie dostępnej technologii, związanej z wytwarzaniem światłowodów, struktur włóknistych i nanostrukturalnych elementów optycznych, w zastosowaniach biologicznych.

Mikrosonada do elektroporacji pojedynczych komórek

Elektroporacja jest techniką polegającą na odwracalnej zmianie przepuszczalności błony komórkowej poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego. Standardowe układy do elektroporacji są makroskopowe. Elektrody, o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu centymetrów, przykładane są na zewnątrz ciała. Po przyłożeniu napięcia rzędu kilkuset lub kilku tysięcy woltów o małym natężeniu, błony komórkowe znajdujące się między elektrodami rozszczelniają się, pozwalając na wydajniejszą wymianę jonową do i z wewnątrz komórki. Pozwala to np. na lepsze wchłanianie lekarstw. Podobna technika może być też stosowana w badaniach in vitro. Zespół badawczy opracował jeden z najmniejszych układów pozwalający na elektroporację wybranej pojedynczej komórki. Głównym elementem układu jest włókno szklane z dwoma metalowymi elektrodami. Włókno jest grubości ludzkiego włosa a odległość między elektrodami wynosi poniżej 50 μm. Przy tak małych odległościach do rozszczelnienia błony komórkowej wystarcza napięcie kilku woltów. Jak pokazano, można w ten sposób modyfikować wymianę jonową w pojedynczej komórce lub w zespole kilku komórek.

Mikrosonda do elektroporacji: a) wygląd sondy w obudowie, b) rozkład pola elektrycznego w pobliżu końców elektrod, c) elektroda i pojedyncza komórka zabarwiona niebieskim barwnikiem dzięki rozszczelnieniu błony komórkowej w wyniku elektroporacji

Obrazowody o bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej

Obrazowanie optyczne jest często stosowanym w biologii i medycynie narzędziem diagnostycznym. Stało się ono szczególnie ważne, gdy tradycyjną chirurgię zastąpiono tzw. chirurgią otworkową. Postęp w tej dziedzinie nie byłby możliwy bez postępu w dziedzinie endoskopii optycznej. Współczesne endoskopy występują przede wszystkim w dwóch odmianach. Pierwsza grupa opiera się na bezpośrednim wykorzystaniu kamery CCD. Jednak, ze względu na wielkość dostępnych kamer rzędu od kilku do kilkunastu milimetrów, układy te stosowane są do penetracji tylko części narządów. Do drugiej grupy endoskopów zaliczamy wszelkiego rodzaju układy światłowodowe. Możemy tu wyróżnić techniki oparte na włóknach z pojedynczym rdzeniem oraz techniki oparte na włóknach wielordzeniowych, tj. obrazowodach. Obrazowód składa się z kilku tysięcy rdzeni, umieszczonych w jednym cienkim elastycznym elemencie. Obrazowód zapewnia bezpośrednią transmisję obrazu, gdzie każdy pojedynczy rdzeń jest osobnym pikselem tworzonego obrazu. Ograniczeniem jest sprzężenie optyczne między sąsiednimi rdzeniami. Ze względu na swoje zalety, układy endoskopowe, oparte na obrazowodach, znajdują w ostatnich latach coraz więcej zastosowań, takich jak: głębokie obrazowanie mózgów żywych zwierząt i obrazowanie in vivo w rozdzielczości sub-komórkowej tkanek nowotworowych. W najlepszych obecnie dostępnych obrazowodach wielkość pojedynczego piksela jest nie mniejsza niż 3 μm. Taka stosunkowo duża wielkość piksela powoduje ‘pikselizację’ obrazu, co może być niewygodne w praktycznym zastosowaniu, a przesłuchy zmniejszają kontrast powstającego obrazu.

Drogą do zwiększenia rozdzielczości przestrzennej obrazowodów jest wykorzystanie nowych materiałów charakteryzujących się bardzo dużą różnicą współczynników załamania, modyfikacja samej struktury obrazowodu i kontrola procesu wytwarzania. Wszystkie te zagadnienia są przedmiotem badań prowadzonych w Laboratorium Przetwarzania Obrazów i Biometrii.

Obrazowody: a) obrazowód o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (~16000 pikseli, wielkość piksela 3 μm), b) obrazowód z ograniczoną dyfuzją (~850 pikseli, wielkość piksela 2 μm), c) przykład obrazowania.

Publikacje

J. Kulbacka, R. Kasztelanic, M. Kotulska, D. Pysz, G. Stepniewski, R. Stępień, J. Saczko, D. Miklavčič, R. Buczyński, Ultrathin glass fiber microprobe for arbitrary selective single-cell electroporation, Bioelectrochem., 135, 107545 (2020).

R. Kasztelanic, I. Kujawa, R. Stepien, A. J. Waddie, M. R. Taghizadeh, R. Buczynski, Development of diffraction binary grating using hot embossing processing with electroformed nickel mold for broadband IR optics, Infrared Phys. Techn., 107, 103293 (2020).

A. Gierej, A. Filipkowski, D. Pysz, R. Buczynski, M. Vagenede, T. Geernaert, P. Dubruel, H. Thienpont, F. Berghmans, On the Characterization of Novel Step-Index Biocompatible and Biodegradable poly(D,L- lactic acid) Based Optical Fiber, Jour. Light. Technol., 38(7), 1905 - 1914 (2020).

R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Stepien, R. Buczynski, Light field camera based on hexagonal array of flat-surface nanostructured GRIN lenses, Opt. Express. 27(24), 34985-34996 (2019)

A. Gierej, M. Vagenede, A. Filipkowski, B. Siwicki, R. Buczynski, H. Thienpont, S. Van Vlierberghe, T. Geernaert, P. Dubruel F. Berghmans, Poly(D,L-lactic acid) (PDLLA) allows for the fabrication of biodegradable and biocompatible polymer optical fiber, Jour. Light. Technol. 37(9), 1916-1923 (2019).

B. Morova, N. Bavili, Ö. Yaman, B. Yigit, M. Zeybel, M. Aydin, B. Dogan, R. Kasztelanic, D. Pysz, R. Buczynski, and A. Kiraz, Design and fabrication of large numerical aperture, high-resolution optical fiber bundles based on novel high-contrast pairs of soft glasses for fluorescence imaging, Opt. Express 27(7), 9502-9515 (2019).

V.T. Hoang, G. Stepniewski, K. Czarnecka, R. Kasztelanic, V.C. Long, K.D. Xuan, L. Shao, M. Smietana, R. Buczynski, Optical properties of buffers and cell culture media for optofluidic and sensing applications, Appl. Sci., 9, 1145 (2019).

R. Buczynski, T. Szoplik, I.P. Veretennicoff, H. Thienpont, Photonic morphological image processing, Critical Review Collection, 2017, Proc. SPIE 10302, 103020F-103020F-25, 2017.

R. Kasztelanic, I. Kujawa, R. Sepien, P. Kluczynski, A. Kozlowska, R. Buczynski, Low-cost soft-glass diffractive and refractive lenses for efficient mid-IR fiber coupling systems, Infrared Phys.Techn., 71, 307-312 (2015).

R. Kasztelanic, I. Kujawa, H. Ottevaere, D. Pysz, R. Stepien, H. Thienpont, R. Buczynski, Optical quality study of refractive lenses made out of oxide glass using hot embossing, Infrared Phys. Techn., 73, 212-218 (2015).