1920年,巴巴尼科拉乌将研究重心转向人类生殖系统的细胞病理学。他的妻子成为首位研究志愿者,在她身上,巴巴尼科拉乌不断优化阴道与宫颈涂片的采样技术。1925年,在国家研究委员会和母婴健康委员会的资助下,他扩大研究范围,招募医院工作人员、孕妇及妇科患者展开系统研究。1928年,具有里程碑意义的时刻到来,他在一名无症状女性的宫颈涂片中首次发现癌细胞,敏锐地意识到细胞学检测在宫颈癌早期诊断中的巨大潜力。尽管同年他在“第三届种族改良会议”上首次报告这一发现时,因学术界的保守观念而未获重视,但他并未气馁。
1939年,巴巴尼科拉乌与妇产病理学家赫伯特·F·特劳特携手开展临床研究,1943年,二人合著的《通过阴道涂片诊断子宫癌》问世,书中详尽阐述了女性经期生理变化、激素与恶性肿瘤对阴道细胞学的影响,为宫颈涂片技术提供了坚实的理论支撑。1948年,第一届美国细胞学会议对巴氏涂片法给予高度评价,这项技术终于获得学术界的广泛认可。此后,巴巴尼科拉乌继续深耕细胞病理学领域,1949年在康奈尔大学创建细胞病理学和细胞学研究部门,1954年出版《脱落细胞学图谱》,为现代细胞病理学的发展立下汗马功劳。他的卓越成就赢得了国际认可,1957年在第一届国际细胞学会议上,他当选为名誉会长,并屡获嘉奖。