Биомедицинские нанотехнологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. В. ПОЛЯКОВ

БИОМЕДИЦИНСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.382+57.089(075.8)
ББК 32.852я73+28я73

П542

Печатается по решению кафедры нанотехнологий и микросистемной 
техники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения 

Южного федерального университета (протокол № 10 от 25 января 2018 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, директор НОЦ «Нанотехнологии» 

Санкт-Петербургского государственного электротехнического 

университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) А. В. Корляков

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой 

медицинской и биологической физики Ростовского государственного 

медицинского университета В. П. Омельченко

Поляков, В. В.

П542
Биомедицинские нанотехнологии : учебное пособие / В. В. Поля
ков ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. –
129 с.

ISBN 978-5-9275-2864-6
В учебном пособии рассмотрены основные вопросы в рамках дисциплины 

«Биомедицинские нанотехнологии». Целью данного пособия является ознакомление с основами и развитие знаний современных аспектов нанотехнологий, возможностями и перспективами применения нанотехнологий, наноматериалов, нанодиагности и наноустройств в биомедицине.

Книга составлена на основе анализа литературных и интернет-источников 

информации. Может быть полезна студентам вузов и аспирантам, обучающимся по направлению «Нанотехнологии и наноматериалы», а также другим 
направлениям подготовки для получения знаний в области бионанотехнологий.

УДК 621.382+57.089(075.8)

ББК 32.852я73+28я73

ISBN 978-5-9275-2864-6

© Южный федеральный университет, 2018
© Поляков В. В., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

НЕКОТОРЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.........................................5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................12

1. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ 
СВОЙСТВ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОБЪЕКТОВ ЖИВЫХ 
СИСТЕМ ...........................................................................................................16

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ........................................................................25

2. САМООРГАНИЗАЦИЯ НА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ 
УРОВНЕ ............................................................................................................26

2.1. ПОНЯТИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ..................................................................26
2.2. ОРГАНИЗАЦИЯ УРОВНЕЙ ЖИВЫХ СИСТЕМ.................................................28
2.3.САМООРГАНИЗАЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 

НА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ .............................................................33
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ........................................................................36

3. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И 
КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ 
СТРУКТУРАХ ЖИВЫХ СИСТЕМ.............................................................38

3.1. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ И ЗАРЯДА В БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ 

СИСТЕМАХ ........................................................................................................38
3.2. МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В БЕЛКАХ И ДНК..........................................40
3.3. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ЯВЛЕНИЯ ОСМОСА..........................................42
3.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ. ДВОЙНОЙ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ .....................................................................................45
3.5. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДВОЙНОГО СЛОЯ........................................49
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ........................................................................50

4. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 
АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР ЖИВЫХ СИСТЕМ С 
ИНОРОДНЫМИ, ИСКУССТВЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ.....................51

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ........................................................................57

5. ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ БИОМЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ .58

5.1. МИКРО- И НАНОДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ........58
5.2. БИОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ..............................................................66

5.3. СЕНСОРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОВ..................................................................71
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ........................................................................74

6. МИКРОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.............................................75

6.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОАНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ..........75
6.2. ХРОМАТОГРАФИЯ ......................................................................................77
6.3. ПРИНЦИПЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МИКРОЛАБОРАТОРИЯХ ..........................82
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ........................................................................84

7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОЧИПЫ (БИОЧИПЫ) ............................85

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ........................................................................91

8. БИОСЕНСОРЫ............................................................................................92

8.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ 

СЕНСОРОВ .........................................................................................................92
8.2. БИОСЕНСОРЫ .............................................................................................97
8.3. КОСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БИОРСЕНСОРОВ ....100
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ......................................................................109

9. БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.................................................110

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ......................................................................115

10. МЕТОДЫ ГИСТОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ .................116

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ......................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................125

НЕКОТОРЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

«in vivo» – процессы происходят внутри живого организма обычно 

при тестировании на животных или клинических испытаниях.

«in vitro» – опыты проводятся «в пробирке», то есть вне организма, 

на культуре живых клеток или в бесклеточной модели.

«in silico» – это термин, обозначающий компьютерное моделирова
ние (симуляцию) биологического эксперимента.

F-центр – анионная вакансия.
Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ) – нуклеозидтрифосфат, имеющий 

большое значение в обмене энергии и веществ в организмах. АТФ является 
универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, 
протекающих в живых системах.

Агар-агар – смесь полисахаридов агарозы и агаропектина, получае
мая путём экстрагирования из красных и бурых водорослей, произрастающих в Чёрном море, Белом море и Тихом океане, и образующая в водных 
растворах плотный студень.

Агароза – получаемый из агара линейный полисахарид. Обладает 

свойством к формированию гелей. Точка плавления – 95 °C, точка образования геля – 45 °C.

Аминокислоты – органические соединения, молекулы которых одно
временно содержат карбоксильные и аминные группы. Аминокислоты, соединяясь между собой в длинные цепи, образуют белки. Аминогруппа при 
взаимодействии с карбоксильной группой, после отщепления молекулы воды образует ковалентную связь, которая называется пептидной (-HN-CO-). 
Два аминокислотных остатка образуют дипептид, три – трипептид, четыре 
– тетрапептид, пять – пентапептид и т.д. Если их содержится 10–40, то молекулу называют полипептид, если более 40, – то белок. Типичная белковая 
цепь содержит от 100 до 500 аминокислотных остатков.

Амфотерные электролиты – соединения, которые в зависимости от 

условий способны проявлять либо кислотные, либо основные свойства.

Антигены (от анти… и греч. génos – рождение, происхождение) – вы
сокомолекулярные коллоидные вещества. Введение в организм животных и 
человека вызывает образование специфических реагирующих с ними антител. К антигенам относятся чужеродные белки, некоторые полисахариды 
(большей частью бактериального происхождения), комплексы белков с 
разнообразными химическими соединениями.

Некоторые термины и определения

6

Антитела – белки, относящиеся к иммуноглобулинам. Подкласс γ
глобулинов (гамма-глобулины). Образуются в организме при попадании в 
него антигенов. Формируют иммунный ответ организма, избирательно соединяясь с теми же антигенами или (в меньшей степени) со сходными с 
ними по строению веществами.

Бактериофаги (фаги) (от греч. «пожираю») – вирусы, избирательно 

поражающие бактериальные клетки.

Бактериохлорофилл – пигмент, содержащийся в способных к фото
синтезу зеленых и пурпурных бактериях. Различают бактериопурпурин –
красный пигмент и бактериохлорин – зеленый пигмент.

Белки – это самые крупные и сложные молекулы в клетке. Они явля
ются нерегулярными полимерами. Их функции определяются числом, составом и порядком расположения входящих в них мономеров. Белки представляют собой одноцепочечные линейные неразветвленные нерегулярные 
полимеры, мономерами которых служат аминокислоты 20 видов. Белки являются и молекулярными двигателями, и строительными блоками, и служат оружием живой клетки. Белки составляют не менее половины сухой 
массы животной клетки. С помощью белков реализуется генетическая информация.

Биологические системы – это объекты различной сложности, имею
щие несколько уровней структурно-функциональной организации и представляющие собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих 
элементов. Биологические системы: клетка, ткани, органы, организмы, популяции, виды, биоценозы, экосистемы разных рангов и биосфера.

Био ника (от греч. Βίον – живущее) – прикладная наука о применении 

в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, 
функций и структур живой природы. Различают: биологическую бионику 
(изучает процессы, происходящие в биологических системах); теоретическую бионику (построение математических моделей); техническую бионику (применяет модели теоретической бионики для решения инженерных
задач).

Биочип – микромножество либо матрица с нанесёнными молекулами 

белков, нуклеиновых кислот, биомакромолекул или биоструктур для одновременного проведения большого числа анализов в одном образце.

Везикула – это относительно маленькие внутриклеточные органоиды, 

мембрано-защищённые сумки, в которых запасаются или транспортируют

Некоторые термины и определения

7

ся питательные вещества. Везикула является базисным инструментом клетки, она обеспечивает метаболизм и транспорт вещества, а также хранение 
ферментов.

Внутриклеточный распространитель сигналов: цГМФ – цикличе
ский гуанозинмонофосфат; цАМФ – циклический гуанозинаденофосфат.

Глобула – сферическая форма.
Гуморальный (от лат. humor – жидкость) – относящийся к жидкостям 

в организме (кровь, лимфа, желчь, слюна, слезы и др.).

Денатурация белков – изменение природной (нативной) структуры 

белковой молекулы под действием различных дестабилизирующих факторов. При этом аминокислотная последовательность белка не изменяется. 
Это приводит к потере белками их естественных свойств (растворимости, 
гидрофильности и др.).

Димер (от греч. слов «два» и «часть») – сложная молекула, состав
ленная из двух фрагментов более простых молекул, называемых мономерами данной молекулы.

Ксенобиотики (от греч. слов «чуждый» и «жизнь») – условная кате
гория для обозначения чужеродных для живых организмов химических 
веществ, которые не входят в биотический круговорот. К ним относят: пестициды, некоторые моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители, полиароматические углеводороды и др. Они могут вызывать аллергические реакции, гибель организмов, изменять наследственные признаки, снижать иммунитет, нарушать обмен веществ, нарушать ход 
процессов в естественных экосистемах вплоть до уровня биосферы в целом.

Линкер (linker) – короткая двухцепочечная молекула ДНК, синтети
ческий олигонуклеотид. Используются в генной инженерии для соединения 
клонируемой последовательности ДНК, к концам которой по методу сшивания тупых концов присоединены линкеры.

Макрофаги (от макро- и греч. phagos – пожиратель) – полибласты, 

клетки мезенхимальной природы в животном организме, способные к активному захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и 
других чужеродных или токсичных для организма частиц.

Макроэлементы (K, S, P, Cl, Mg, Na, Ca и Fe) содержатся в количе
стве 0,01–0,1 весовых % веса живого организма.

Некоторые термины и определения

8

Медулла (от лат.  Medúlla –  мозг) – медицинский термин, обозначает 

костный мозг, но также это переводится с латыни как сердцевина, сущность.

Метаболизм (от греч. Metabol – перемена) – превращение, обмен ве
ществ. Превращение веществ внутри клетки с момента их поступления до 
образования конечных продуктов.

Микросистема – машина в микромасштабе, которая может воспри
нимать информацию из среды и выполнять соответствующие действия. То 
же, что и микроэлектромеханические системы (МЭМС) – устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. 
Механическим компонентом может быть миниатюрное зеркальце – элемент системы сканирования, либо примитивный инерциальный датчик, 
способный определить характерные движения, которые пользователь проделывает со своим устройством. Изготавливают МЭМС-устройства обычно 
на кремниевой подложке с помощью технологии микроэлектроники. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 
1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМСмикросхемы имеют размеры до одного квадратного сантиметра.

Микрофлюидика – (от др.-греч. micros – малый, и лат. fluidis – теку
чий) – наука, изучающая малые микропотоки жидкостей. Является междисциплинарной наукой (стыки физики, гидравлики, динамики, химии, 
биологии и инженерных знаний), описывает поведение малых (порядка 
микро и нанолитра) объёмов и потоков жидкостей.

Микроэлементы (Zn, Cu, I, F, Mn, B, Br, Co, Mo, Si, Ba, Se, V, Cr, Ni), 

содержатся в количестве, меньше 0,01 % веса живого организма.

Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие 

собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную 
систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими 
размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих 
возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или са
моупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими 

Некоторые термины и определения

9

характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантоворазмерных, синергетически-кооперативных, гигантских эффектов и др. явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, сборки, 

структуре- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования 
материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и 
систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нуклеиновые кислоты – линейные нерегулярные биологические по
лимеры. При этом мономерами РНК служат рибонуклеотиды, а мономерами ДНК – дезоксирибонуклеотиды.

Осмос (от греч. «толчок», «давление») – процесс диффузии через по
лупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией 
растворенного вещества.

Органеллы – «органы» простейших, выполняющие различные функ
ции: двигательные и сократительные, рецепторные, нападения и защиты, 
пищеварительные, экскреторные и секреторные.

Органогены – элементы (С, O, H и N) из которых состоят все органи
ческие соединения. На долю этих четырех химических элементов приходится около 98 % веса живого организма.

Полисахариды – высокомолекулярные углеводы, полимеры моноса
харидов, которые представляют собой длинные линейные или разветвлённые цепочки моносахаридных остатков, соединённых гликозидной связью.

Полярон – «самосогласованное» состояние электрона и диэлектриче
ской среды.

Протоплазма (от греч. «первый» и «вылепленное, оформленное») –

цитоплазма и ядро клетки.

Рибосома – немембранный органоид живой клетки, служащий для 

биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК. Данный процесс 
называется трансляцией. Рибосомы имеют сферическую или слегка эллип