Centrum przyszłości

Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT) jest jedną z największych inwestycji w dziedzinie badań i rozwoju w obszarze tzw. „wysokich technologii” (ang. High-tech) w Polsce. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską przewidywał ustanowienie sieci pięciu laboratoriów wyposażonych w najnowocześniejsze urządzenia oraz niezbędną infrastrukturę. Laboratoria Centrum prowadzić będą prace badawczo-rozwojowe nad nowymi, posiadającymi potencjał komercyjny, technologiami, które będą miały wpływ na rozwój gospodarki i sukces ekonomiczny Polski.

Elita Polskiej Nauki

Sukcesy we wdrożeniach w obszarze high-tech wymagają wsparcia i stałej współpracy z najlepszymi ośrodkami naukowymi. W celu jej ułatwienia w ramach Projektu CEZAMAT stworzono Konsorcjum, w którego skład wchodzą:

• Politechnika Warszawska (Lider Konsorcjum)
• Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
• Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk
• Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
• Instytut Technologii Elektronowej
• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Uniwersytet Warszawski
• Wojskowa Akademia Techniczna

Flagowe projekty

Internet Rzeczy (Internet of Things – IoT)

IoT angażuje ogromne ilości urządzeń komunikacyjnych rozsianych w naszym środowisku i w otaczających nas przedmiotach. Terminy powiązane z IoT to: Smart Planet, Wireless Sensors Net (WSN), Smarms, TSensors (Trillion Sensors), Internet of Everything, Machine to Machine (M2M) oraz Smart Dust odnoszą się do globalnego i wszechobecnego wymiaru IoT. Jego ekonomiczny aspekt jest trudny do przecenienia, ponieważ żadna z poprzednich zaawansowanych rewolucji technologicznych nie osiągnęła skali rynku szacowanego na biliony jednostek. Według założeń IoT, obiekty będą bezpośrednio lub pośrednio rejestrowały, przetwarzały lub wymieniały dane poprzez sieć komunikujących się sensorów.

CEZAMAT opracuje autonomiczną sieć czujników bezprzewodowych (WSN), włączając w to także rozwój materiałów, technologii i komponentów potrzebnych do jej budowy. Centrum chce być częścią rewolucji związanej z Internetem Rzeczy oraz stawiać na czele swojej listy priorytetowych obszarów i zagadnień badawczych takich jak:

• fotonika, optoelektronika
• biosensory i sensory chemiczne
• nowe półprzewodniki, systemy heterogeniczne
• projektowanie układów analogowych i cyfrowych, rozwiązania systemowe dla IoT i WSN
• nanotechnologia
• MOEMS, NEMS, aktuatory, detektory
• pozyskiwanie energii ze środowiska (energy harvesting) i sposoby jej przechowywania
• nanorurki, GaN i SiC
• spektroskopia i obrazowanie, THz, wysokie częstotliwości
• komunikacja, w szczególności bezprzewodowa
• rozwój oprogramowania
• zaawansowane materiały
• bioinżynieria

Cyberbezpieczeństwo na poziomie układu scalonego

Bezpieczne układy elektroniczne i mikrosystemy (np. dla IoT i innych krytycznych aplikacji) wymagają specjalnego podejścia na wszystkich etapach, tj. od projektu, poprzez cały, złożony proces produkcyjny. CEZAMAT posiada potencjał i środki do wzięcia udziału w opracowaniu tej unikatowej metodologii projektowania układów scalonych i systemów oraz ich technologii produkcji. Jedną z potencjalnych strategii jest Split Manufacturing.

Split Manufacturing

Idea Split Manufacturing wyewoluowała jako sposób zapewnienia bezpiecznej produkcji elementów i układów mikroelektronicznych, przeznaczonych do strategicznych zastosowań, np. w infrastrukturze państwowej, urządzeniach medycznych i systemach bezpieczeństwa. Split Manufacturing układów scalonych zapobiega atakom trojanów sprzętowych oraz minimalizuje ryzyko obejścia zabezpieczeń w strategicznie wrażliwych systemach, przy jednoczesnym utrzymaniu efektywności ekonomicznej w kosztach produkcji. Koncepcja pozwala również na zapobieganie możliwości użycia podrobionych układów w infrastrukturze krytycznej. CEZAMAT zainteresował tą ideą europejską społeczność, wypromował ją oraz znalazł partnerów z Francji i Niemiec do pracy nad tym zagadnieniem.

Technologie terahercowe

Technologie terahercowe bazujące na wysokoczęstotliwościowych komponentach wytworzonych w technologii azotku galu (GaN) pozwalają na wytworzenie całkowicie nowej serii urządzeń i usług. Promieniowanie terahercowe jest wysoce selektywne i obojętne dla zdrowia. Takie nieinwazyjne promieniowanie idealnie nadaje się do wykorzystania do zdalnego rozpoznawania kształtów i składu chemicznego, wliczając w to zdalną identyfikację nielegalnych lub niebezpiecznych związków. Skanery terahercowe są klasą urządzeń, które dopiero od niedawna pojawiły się na globalnym rynku. Know-how z zakresu technologii terahercowej wymagany jest w przypadku konstruowania kompaktowych skanerów takich jak:

• systemy inspekcji chemicznej i biologicznej w czasie rzeczywistym oraz mobilne laboratoria dla służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo (np. policja i straż graniczna)
• systemy kontroli jakości w czasie rzeczywistym dla szerokiego zakresu przemysłu farmaceutycznego i spożywczego
• systemy szybkiego obrazowania i diagnostyki medycznej do zastosowania w szpitalach, a także urządzenia mobilne dla służb ratowniczych

Flagowe projekty Platformy Bioinżynierii

Diagnostyka chorób oraz miniaturyzacja i doskonalenie systemów diagnostycznych

Platforma Bioinżynierii CEZAMAT będzie opracowywała urządzenia do wczesnego wykrywania biomarkerów chorób cywilizacyjnych. Celem badań jest opracowanie miniaturowych, przenośnych urządzeń (tzw. urządzenia Point-Of-Care), które będzie można używać nie tylko w laboratoriach, do wczesnej diagnostyki chorób takich jak choroby nowotworowe, cukrzyca, choroby zakaźne. Do konkretnych projektów zaliczać się będą:

• Urządzenie do wykrywania i oznaczania wybranych białek w płynach ustrojowych człowieka
• Urządzenie do wydzielania, wykrywania i oznaczania fragmentów kwasów nukleinowych (charakterystycznych dla patogenów) w oparciu o reakcje hybrydyzacji oligonukleotydów
• System Lab-On-Chip do wykrywania wad genetycznych
• Zastosowanie spektroskopii NMR o dużej zdolności rozdzielczej do badania markerów chorób metabolicznych
• Biosensory elektrochemiczne, optyczne i masowe o warstwach receptorowych zbudowanych z syntetycznych jonoforów, oligonukleotydów i enzymów. Urządzenia te można wykorzystywać w analizie klinicznej, przemysłowej i środowiskowej.
• Miniaturowe elektrody przeznaczone do analizy w mikroskali (np. w pojedynczej komórce)
• Koniugaty nanomateriałów z bioreceptorami jako hybrydowe narzędzia bioanalityczne

Nowoczesne terapie i materiały do celów diagnostycznych i terapeutycznych

Celem tego projektu będzie opracowanie nowoczesnych biotechnologicznych systemów transferu substancji aktywnych selektywnie do miejsca organizmu pacjenta, które wymaga stosowania terapii. Takie podejście pozwala na znaczące ograniczenie ilości podawanych substancji aktywnych, co ogranicza efekty uboczne terapii. Rozwijane będą też nowe substancje aktywne, w sposób selektywny działające na konkretne rodzaje nowotworów i innych schorzeń. Opracowywane będą nowoczesne rodzaje materiałów służących do szybkiej diagnostyki, terapii systemowej i miejscowej takiej jak regeneracja uszkodzonych tkanek.  Cele szczegółowe to:

• Zastosowanie nanomateriałów do opracowania postępowań terapeutycznych (głównie przeciwnowotworowych) zgodnie z koncepcją teranostyki
• Opracowanie nośników do efektywnego transportu leków (grafen i pochodne, zaawansowane metody enkapsulacji)
• Zaprojektowanie i synteza nanocząstek do terapii celowanej zawierające nośnik leku oraz system celujący oparty o krótkie peptydy lub aptamery
• System podawania fragmentów mRNA do komórek dendrytycznych podskórnych w celu nabrania przez organizm pełnej odporności na dany typ nowotworu).
• Badania profili uwalniania leków z warstw do zastosowania w stentach i implantach
• Badania materiałów do terapii fototermalnej (m.in. nanocząstki złota)
• Opracowanie uniwersalnych szczepionek na niektóre typy nowotworów (np. białaczki czy jelita grubego)
• Prace nad cytostatykami i fotouczulaczami do chemioterapii i fototerapii
• Nanostruktury metaliczne, kropki kwantowe i z pochodnych grafenu. Do stosowania jako markery w biotestach i biosensorach lub do obrazowania organelli, tkanek i narządów.

Bioinżynieria i sztuczne organy

Projekt ten ma na celu opracowywanie hybrydowych materiałów biomedycznych nowej generacji a także testowanie ich potencjalnych zastosowań w bioinżynierii. Materiały te, zbudowane w oparciu o struktury z nowoczesnych, biozgodnych polimerów i odpowiednio modyfikowanych metali w połączeniu z żywymi, hodowanymi na nich komórkami, będą w przyszłości służyły jako alternatywa dla obecnie stosowanych implantów naturalnych i sztucznych. Konkretne badania będzie stanowiło

• Opracowanie mikrosystemów Organ-on-a-Chip jako modeli obrazujących wybrane funkcje organów – np. model Heart on-a-Chip do badania regeneracji komórek mięśnia sercowego w mikrosystemie przepływowym i symulacji niedotlenienia komórek mięśnia sercowego
• Zastosowanie drukarek 3D do wydruku organów lub fragmentów tkanek i zasiedlanie ich komórkami macierzystymi pacjenta
• Badania nad odkomórczaniem organów pobieranych od zwierząt i następnie zasiedlanie pozostałych rusztowań białkowych komórkami własnymi pacjenta
• Badania biozgodności materiałów metalicznych i polimerowych stosowanych do celów medycznych
• Badania pokryć antybakteryjnych nanoszonych na implanty
• Opracowanie mikrofluidycznych urządzeń do zaawansowanych metod inżynierii komórkowej i tkankowej w skali mikro:

–  mikrosystemy do hodowli komórkowych 2D i 3D

–   mikrofluidyczne urządzenia Lab-on-a-Chip do badania oddziaływań komórkowych (hodowle mieszane, kokultury)

Projektowanie i rozwój leków                              

Platforma Bioinżynierii podejmuje współpracę z firmami z sektora farmaceutycznego w celu wspólnego opracowywania nowych rozwiązań terapeutycznych, które od wczesnych prac projektowych będą miały na celu doprowadzenie do wdrożenia ich na rynek. Badania związane z tymi projektami będą obejmowały badania nad substancjami aktywnymi i ich nośnikami, ale także sam rozwój metod analitycznych do oceny jakości leków. Wykonywane prace będą dotyczyły takich dziedzin jak:

• Badania oddziaływań potencjalny lek – białko
• Badania inhibitorów i induktorów przemian metabolicznych – związków o potencjalnym działaniu terapeutycznym
• Projektowanie i badania warstw receptorowych różnego typu biosensorów przeznaczonych do wykrywania i oznaczania istotnych klinicznie bioanalitów
• Nowe leki białkowe otrzymywane metodami biotechnologicznymi
• Badania przedkliniczne na modelach komórkowych i zwierzęcych
• Badania wpływu sposobu podania leku na metabolizm komórek w celu diagnostyki i terapii chorób
• Badania czystości i struktury związków o potencjalnym działaniu terapeutycznym
• Wykrywanie zmian jakościowych składu proteomu i metabolomu w wyniku działania leków i metabolitów leków (szczególnie nowych testowanych substancji biologicznie czynnych)
• Kontrola jakości dla analizy transkryptomicznej
• Ultraszybka dystrybucja leków polarnych i niepolarnych z wykorzystaniem rozpuszczalników organicznych lub nadkrytycznego dwutlenku węgla
• Badania nad rozkładem związków chemicznych w materiałach farmaceutycznych, ich strukturą w połączeniu z analizą elementarną
• Oznaczanie metali lekkich i ciężkich w cieczach i ciałach stałych bez mineralizacji do poziomu śladowego (zawartość do 10^-6 – 10^-7 M)
• Wyznaczanie zawartości ultra-śladowych (na poziomach 10^-8 – 10^-12 M) toksycznych metali pozostałych po katalizatorach stosowanych do syntezy leków
• Oznaczanie zawartości metali w płynach ustrojowych w czasie badań klinicznych
• Badania rozkładu związków chemicznych w materiałach stałych
• Badania nad opracowaniem nowych metod analitycznych, ich walidacji oraz transferu do przemysłu farmaceutycznego

Magazynowanie i konwersja energii

Jednym z największych wyzwań współczesności jest poprawa jakości życia społeczeństwa, a także bezpieczeństwa gospodarki i kraju poprzez efektywne wytwarzanie, przesył i wykorzystanie energii. Magazynowanie energii elektrycznej może przyczynić się do poprawy efektywności na każdym z tych etapów. Jedną z wiodących technologii magazynowania energii jest zastosowanie urządzeń elektrochemicznych – ogniw galwanicznych i superkondensatorów.

CEZAMAT prowadzi badania nad nowymi materiałami mogącymi znaleźć zastosowanie w nowoczesnych, bezpiecznych, przyjaznych środowisku i tanich ogniwach. Mamy ambicje, żeby integrować rozwiązania opracowywane na polskich uczelniach i w instytutach, czego efektem byłoby opracowanie prototypów ogniw opartych całkowicie na polskich technologiach.

Opracowywane przez nas dedykowane technologie mogą znaleźć zastosowanie w systemach zasilania sensorów i urządzeń przenośnych, energetyce oraz elektromobilności.

W Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT planujemy utworzenie laboratorium prototypowania ogniw, w którym możliwe będzie testowanie nowych rozwiązań od skali laboratoryjnej do przemysłowej z wykorzystaniem pilotowej instalacji produkcyjnej. Rezultatem prac będzie opracowanie i wdrażanie nowych technologii w zakresie elektrochemicznego magazynowania energii na potrzeby polskiej energetyki, elektromobilności oraz do zasilania urządzeń przenośnych i czujników.

Tematyka planowanych projektów:

• Opracowanie nowych elektrolitów do ogniw litowo-jonowych
• Optymalizacja składu elektrolitu pod kątem przewodności jonowej oraz kompatybilności z nowoczesnymi materiałami elektrodowymi
• Wytwarzanie nowych materiałów elektrodowych, ze szczególnym naciskiem na zastosowanie bezrozpuszczalnikowych metod produkcji elektrod
• Badania nad nowymi typami ogniw, takimi jak Na-ion, Li-powietrze, Li-S, Mg
• Wytwarzanie prototypów ogniw
• Opracowywanie technologii produkcji ogniw wraz z wyznaczeniem wszystkich parametrów procesowych
• Testowanie ogniw z zastosowaniem zaawansowanych metod elektrochemicznych

Unikalna platforma badań i rozwoju

CEZAMAT jest otwarty na innowacyjne pomysły. Nowoczesna i specjalnie do tego celu przygotowana infrastruktura badawcza umożliwia ich realizację, aż do etapu wdrożenia przemysłowego. Nasze laboratoria oferują Polskim i zagranicznym studen
tom, doktorantom, przedsiębiorcom, jednym słowem – wszystkim zainteresowanym tworzeniem innowacji, możliwość rozwijania swoich projektów.

CEZAMAT jest siecią wyspecjalizowanych laboratoriów, w której skład wchodzą:

• Laboratorium Centralne – interdyscyplinarne laboratoria zlokalizowane na terenie Politechniki Warszawskiej, ul. Poleczki, Warszawa
• Specjalistyczne laboratorium zaawansowanych nanotechnologii laserowych Wojskowej Akademii Technicznej, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego, Warszawa
• Specjalistyczne laboratorium badań spektroskopowych i magnetycznych, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ul. Hoża, Warszawa
• Laboratorium kwantowych struktur azotkowych oraz zaawansowanych technik ich charakteryzacji Instytutu Wysokich Ciśnień (PAN), al. Prymasa Tysiąclecia, Warszawa
• Specjalistyczne laboratorium wytwarzania precyzyjnych masek chromowych oraz mikrooptycznych struktur dyfrakcyjnych Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska, Warszawa