В ФНКЦ ФХМ ФМБА России (ранее НИИ физико-химической медицины) В.И. Сергиенко работает со дня его основания в 1984 году. С 2006 по 2015 Валерий Иванович руководил институтом в качестве директора, с 2015 года по настоящее время В.И. Сергиенко является научным руководителем учреждения. Заслуги Валерия Ивановича Сергиенко в развитии теоретической и прикладной медицины весьма значительны. Он является создателем нового направления в медицине – биомедицинской электрохимии. Приоритетными направлениями стали разработки в области электрохимической и окислительной детоксикации. Большое внимание в этом разделе исследований уделяется фундаментальным аспектам окислительной детоксикации, в частности изучению механизмов окисления липопротеинов, холестерина, билирубина, фосфолипидов и других компонентов крови. Следствием проведенной работы явилось создание нового дезагрегационного средства на основе гипохлорита натрия (N,N- дихлортаурина), важнейшим достоинством которого как противотромбоцитарного средства является его способность ингибировать активность предварительно стимулированных тромбоцитов, а также вызывать дезагрегацию агрегированных тромбоцитов. Такое генерализованное ингибирование активности тромбоцитов может быть особенно необходимо при ряде тромботических состояний. Прикладной аспект работ в области электрохимического окисления связан с созданием установки для получения гипохлорита натрия, как дезинфицирующего средства. Эти аппараты получили широкое признание среди клиницистов страны (Премия Правительства РФ 1996 г.).
Значительное место в научных исследования В.И. Сергиенко занимает разработка теоретических и практических аспектов атеросклероза Особое внимание уделяется новым методам диагностики, лечения и изучения патогенеза этого заболевания (Государственная премия РСФСР, 1989 г.)
Под руководством академика В.И. Сергиенко и его непосредственном участии были разработаны и внедрены в клиническую практику глазные капли "севитин", представляющие собой 5% раствор дипептида карнозина. Препарат применяют для лечения заболеваний глаз, сопровождающихся нарушениями метаболизма и деструкцией различных тканей (язвенные поражения роговицы, кератиты различного генеза, рецидивирующие эрозии роговицы, наследственные и вторичные дистрофии роговицы).
Академик В.И. Сергиенко обладает выдающимися организационными способностями. Благодаря его усилиям, в институте созданы инновационные подразделения: испытательный лабораторный центр и центр медицинских нанобиотехнологий а также парк современного исследовательского оборудования, активно ведется подготовка квалифицированных научных кадров. Большое внимание уделяется внедрению новых разработок в клиническую практику. Благодаря обновленной структуре, современному парку исследовательского оборудования и высококвалифицированным медицинским и научным кадрам, институт успешно выполняет государственные задания в рамках Федеральных научно-технических и целевых программ.
В.И. Сергиенко принадлежит более 60 изобретений. Под его непосредственным руководством защищено 10 докторских и 20 кандидатских диссертаций.
Большое внимание академик В.И. Сергиенко уделяет общественной и организационной работе по пропаганде физико-химической медицины, являясь главным редактором журнала "Эфферентная и физико-химическая медицина", членом редколлегии журналов "Бюллетень экспериментальной биологии и медицины", "Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии".
Академиком В.И. Сергиенко опубликовано более 350 научных публикаций, в том числе основные монографии: «Острый панкреатит» (1986 г.), «Селективные гемосорбенты» (1989 г.), «Прикладная фармакокинетика: основные положения и клиническое применение» (2003 г.). Монография «Математическая статистика в клинических исследованиях», изданная в 2003г., получила высокую оценку специалистов и пользуется большим спросом среди врачей и биологов. В 2006г. вышло новое издание этой монографии. Большой педагогический опыт позволил В.И. Сергиенко написать ряд учебников и учебных пособий: «Топографическая анатомия и оперативная хирургия» Т. 1, Т. 2 (2003 г., 2004 г., 2007 г., 2010 г., 2013 г.); «Учебно - методическое пособие по топографической анатомии и оперативной хирургии для студентов стоматологического, педиатрического и лечебного факультетов медицинских вузов» (2001, 2002 гг.); «Пластическая хирургия лица и шеи» (2005 г.), «Хирургический инструментарий» (2006 г.). Эти учебные пособия по рекомендации Минздрава включены в учебный курс всех медицинских ВУЗов страны.
Заслуги академика В.И. Сергиенко отмечены Государственной премией РСФСР, премиями Правительства Российской Федерации 1996 и 2013 гг. в области науки и техники, орденом Дружбы, орденом Почета, медалями.