Синтетические и природные полимеры в биоинженерии

 
 
 
 
 
 
 
И. И. Осовская, С. А. Горбачев 
 
 
 
 
 
 
СИНТЕТИЧЕСКИЕ И ПРИРОДНЫЕ  
ПОЛИМЕРЫ В БИОИНЖЕНЕРИИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

УДК 678.07 
ББК 35.71 
О-75 
 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики высшей 
школы технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного 
университета промышленных технологий и дизайна В. И. Лейман; 
зав. кафедрой материаловедения и технологии машиностроения,  
кандидат химических наук, доцент Высшей школы технологии 
и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета 
промышленных технологий и дизайна А. Н. Евдокимов 
 
 
 
Осовская, И. И.  
О-75    
Синтетические и природные полимеры в биоинженерии : учебное 
пособие / И. И. Осовская, С. А. Горбачев. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. – 100 с. : табл. 
ISBN 978-5-9729-1363-3 
 
Содержит теоретический материал об основных разделах биотехнологии и биоинженерии. Изложены основы теории и практики биоинженерных процессов.  
Для студентов, обучающихся по направлению «Химическая технология», а также для студентов других полимерно-технологических специальностей.  
 
 УДК  678.07 
 ББК   35.71 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1363-3 
” Осовская И. И., Горбачев С. А., 2023 
                                                         ” СПбГУПТиД ВШТЭ, 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

-¢ªŸ¡ª¤¬§¤
 
Предисловие ............................................................................................................... 4 
Введение ...................................................................................................................... 5 
Список используемых терминов 
............................................................................ 6 
1. ОСНОВЫ БИОИНЖИНИРИНГА 
................................................................... 10 
1.1. Генная инженерия ........................................................................................... 14 
1.2. Клеточная инженерия ..................................................................................... 16 
1.3. Тканевая инженерия 
........................................................................................ 18 
1.4. Ферменты в генетической инженерии .......................................................... 20 
1.5. Биоинженерия и медицина 
............................................................................. 32 
2. ПОЛИМЕРЫ В БИОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМАХ .................................. 35 
2.1. Физиологически активные полимеры 
........................................................... 35 
2.2. Применение полимеров в различных биоаналитических устройствах ..... 54 
2.3. Полимеры в разделительных процессах  
...................................................... 56 
2.4. Полимеры для создания биодеградируемых систем общего назначения .... 60 
2.5. Полимерные имплантаты ............................................................................... 61 
2.6. Неимплантационные медицинские полимерные устройства и изделия ... 63 
3. БИОИНЖИНИРИНГ В ПРОМЫШЛЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ ...... 66 
3.1. Биоинжиниринг и растениеводство .............................................................. 66 
3.2. Биоинжиниринг и животноводство 
............................................................... 70 
3.3. Биоинжиниринг в энергетике ........................................................................ 72 
3.4. Биоинженерия и пищевая промышленность 
................................................ 75 
3.5. Биогеоинженерия ............................................................................................ 77 
Послесловие .............................................................................................................. 79 
Библиографический список .................................................................................. 80 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Достоинства и недостатки использования            
синтетических полимеров в медицине, растениеводстве и животноводстве ...... 83 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Вопросы для самопроверки знаний обучающихся 
............. 86 
Тесты по дисциплине «Полимеры в биоинженерии» ...................................... 89 
3 
 

®¯¤£§°ª-¡§¤
 
Лечить болезни с помощью различных химических соединений люди пытались во все периоды развития цивилизации, чаще использовали смеси неизвестного состава. Успехи органической химии и химии полимеров позволили 
широко внедрить в медицинскую практику индивидуальные синтетические и 
природные препараты известной структуры. Самостоятельным и важным разделом химии ВМС являются физиологически активные полимеры. Принци- 
пы биохимии, молекулярной и клеточной биологии, используемые в мировой 
практике, не только формируют новое качество биотехнологических процессов, но и обеспечивают приоритетное развитие современной биологии, фармацевтики и медицины. Сегодня высокомолекулярные соединения (ВМС) используют в медицине как конструкционные материалы – это искусственные органы 
и ткани, кологенные (белковые) мембраны и т. д. Широко стали использовать 
ВМС и в фармацевтической промышленности в качестве основных и вспомогательных веществ.  
Применение инженерных принципов, знаний биологии, химии, математики, физики составляют основу биологической инженерии. Биоинженерия и 
биомедицинская инженерия взаимно дополняют друг друга, т. е. могут существовать небиологические товары для медицинских нужд одновременно с биологическими товарами для немедицинских нужд (промышленная биотехнология). Прогрессивные методы биотехнологии, такие как получение рекомбинантной ДНК, т. е. ДНК, содержащей новую комбинацию последовательностей (или генов), такую, какой прежде в природе не было, трансгенных растений и животных, культивирование клеток и тканей, клонирование, обеспечение 
сверхпродуктивности объектов основаны на достижениях генной и клеточной 
инженерии и выводят науку на принципиально новый уровень.  
 
 
4 
 

¡¡¤£¤¬§¤
 
В последние время заметно повысился интерес к технологиям, связанным 
с живыми организмами и их жизнедеятельностью – медицине, биотехнологии, 
генной инженерии, микробиологии, а также технологии создания материалов, 
предназначенных для использования в медико-биологических целях. Препараты и изделия медико-биологического назначения применяются в качестве имплантатов для замены органов и тканей в системах организма, в качестве биологически активных добавок, которые используются в медицине, косметологии, 
ветеринарии, они используются в качестве сорбционных систем для очистки 
различных веществ, в том числе биологических жидкостей, в качестве носителей в генной инженерии, на их основе создаются фармацевтические лекарственных препараты и многое другое. Круг таких материалов достаточно широк, к ним относят металлы, а также их сплавы, неорганические и углеродные 
материалы. Можно отметить ряд основных направлений использования полимеров в медико-биологических целях: материалы для биологически активных 
систем (создание лекарственных препаратов); материалы, применяемые для замещения и других методов лечения органов, связанных с хирургическим вмешательством; материалы для высокоэффективных биокатализаторов; материалы для биосинтеза и других биоинженерных методов. Как правило, каждый материал имеет специфические области применения. Несмотря на большие успехи науки и техники, большинство проблем, связанных с замещением органов и 
тканей в живых организмах еще не решено, а качество используемых в настоящее время материалов не полностью отвечает предъявленным требованиям, 
также отмечается низкий уровень подготовки специалистов в области полимерной технологии и биоинженерии ввиду недостатка знаний в данных областях технологии и науки. Однако биотехнология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных 
и возобновляемых материалов. Сегодня биотехнология – это наука, промышленность и многомиллионный бизнес. 
 
5 
 

°®§°-©§°®-ª»¦²¤«º´±¤¯«§¬-¡

1. Антимикробный агент – это любой лекарственный препарат, созданный для уничтожения бактерий и воспрепятствования их росту. Некоторые 
агенты слишком токсичны для терапевтических целей, и не существует аген- 
та, который является эффективным средством борьбы с любыми бактериями. 
2. Биосенсор (англ. biosensor) – структуры, указывающие на присутствие 
определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах. 
3. Биосовместимость (англ. biocompatibility) – способность материала 
встраиваться в организм пациента, не вызывать побочных клинических проявлений и индуцировать клеточный или тканевой ответ, необходимый для достижения оптимального терапевтического эффекта. 
4. Биоконверсия – это преобразование биомассы и бытовых отходов при 
помощи микроорганизмов с целью получения тепловой энергии и биотоплива. 
5. Биомасса – это растительный или животный материал, который используется для выработки энергии или тепла. 
6. Биоремедиация – комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы 
с использованием метаболического потенциала биологических объектов – растений, грибов, насекомых, червей и других организмов. 
7. Биоразлагаемые полимеры, биодеградируемые полимеры (англ. biodegradable polymers) – полимерные материалы, самопроизвольно разрушающиеся 
в результате естественных микробиологических и химических процессов. 
8. Гель (англ. gel) – (от лат. gelo – застываю или gelatus – замороженный, 
неподвижный): 1) в коллоидной химии – дисперсная система с жидкой средой, 
в которой частицы дисперсной фазы образуют пространственную структурную 
сетку; 2) в химии полимеров – неплавкий и нерастворимый продукт поликонденсации или полимеризации. 
 
 
6 
 

9. Гемосовместимость – свойство материала не вызывать изменений 
функций крови, трансформации ее компонентов, образование тромба; является 
исключительно важным для создания изделий, функционирующих в условиях 
контакта с кровью – эндопротезов сосудов, клапанов сердца и целого сердца, 
систем вспомогательного кровообращения. 
10. Гибридные материалы (англ. hybrid materials) – материалы, полученные за счет взаимодействия химически различных составляющих (компонентов), чаще всего органических и неорганических, формирующих определенную 
(кристаллическую, пространственную) структуру, отличающуюся от структур 
исходных реагентов, но часто наследующую определенные мотивы и функции 
исходных структур. 
11. Доставка лекарственных средств или адресная доставка лекарственных веществ; направленный транспорт лекарственных веществ (англ. drug 
delivery) – направленный транспорт лекарственного вещества в заданную область организма, органа или клетки. 
12. Диализ (dialysis – разложение, отделение) – процесс разделения молекул по размеру на основе их различной способности к диффузии через полупроницаемую мембрану; используется для очистки высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных примесей (например, белков от солей), для удаления из крови токсичных веществ и др. 
13. Иммобилизация или фиксация (англ. immobilization) – перенос вещества из гомогенной подвижной фазы на поверхность твердой фазы-носителя и 
его закрепление за счет специфических взаимодействий. Носители (подложки, 
матрицы) различаются по химической природе (металлы, оксиды, сильносшитые 
органические полимеры), по морфологии (пористые, планарные, высокодисперсные), по структуре (кристаллические, аморфные) и т. д. 
14. Кластер (англ. cluster) – (от англ. cluster – рой, скопление) – компактная обособленная группа связанных друг с другом атомов, молекул или ионов, 
которая обладает свойствами, в той или иной степени отличными от свойств 
составляющих ее элементов. 
7 
 

15. Композит иначе композиционный материал (англ. composite) – материал, состоящий из двух или более фаз с четкой межфазной границей. 
16. Культивирование микроорганизмов – это процесс искусственного создания условий для их роста и размножения in vitro, взаимосвязанных, но не 
обязательно процессов, протекающих с одной скоростью.  
17. Молекулярная биология (англ. molecular biology) – наука о структуре 
и функционировании живых форм на молекулярном уровне. Основной целью 
молекулярной биологии является изучение структуры и воспроизведения генов, а также синтеза РНК и белков на основе закодированной в них информации. Молекулярная биология изучает также структуру, взаимодействие и физиологические функции РНК и белков. 
18. Микробиологическая трансформация – использование ферментативной активности жизнеспособных клеток микроорганизмов, результатом чего 
является некоторое изменение молекулярной структуры трансформируемого 
субстрата. 
19. Нанобиотехнология иначе бионанотехнология (англ. nanobiotechnology) – область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватыва- 
ет широкий круг технологических подходов, включая: применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; использование биологических молекул для нанотехнологических целей; создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в дипазоне 1–100 нм); использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур. 
20. Нанобиоэлектроника (англ. biomolecular electronics или molecular electronics) – область науки, лежащая на стыке электроники и нанотехнологий, 
в которой биомолекулы и реализованные в них принципы обработки информации и передачи энергии используются для создания элементов электронных 
устройств. 
 
8 
 

21. Подложка (англ. substrate или wafer) – образец со специально подготовленной поверхностью для наращивания на ней пленок и наноструктур или 
проведения исследований поверхностных процессов (адсорбции, десорбции, 
кластерообразования, поверхностной диффузии и т. д.). 
22. Сополимер (англ. copolymer) – полимер, макромолекулы которого состоят из мономерных звеньев нескольких типов. 
23. Супрамолекулярные гели иначе молекулярные гели (англ. supramolecular gels) – гели, образованные из низкомолекулярных гелеобразующих (желирующих) агентов. 
24. Умные материалы иначе «интеллектуальные» материалы (англ. smart 
materials) – класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию 
материалов, которые объединяют проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др.) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и др. 
25. Ферменты – белки, являющиеся биологическими катализаторами. 
Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению 
одних веществ (субстратов) в другие (продукты). 
26. Хемосорбция – химическая адсорбция (англ. chemisorption) – адсорбция, при которой между адсорбентом и адсорбатом происходит образование 
химической связи. 
27. Штамм (от нем. Stamm, буквально – «ствол», «род») – чистая культура 
вирусов, бактерий, других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определенное время и в определенном месте. 
 
 
 
 
 
9 
 

-°¬-¡º §-§¬¥§¬§¯§¬¢Ÿ

Биоинженерия (англ. bioengineering) – направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине. Сфера 
деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов 
для компенсации пониженных, либо утраченных физиологических функций 
(биомедицинская инженерия) и до разработки генетически модифицированных 
организмов, например, сельскохозяйственных растений и животных (генетическая инженерия), а также молекулярного конструирования соединений с заданными свойствами. Отличие биоинженерии от биомедицинской инженерии 
в том, что биоинженерия заинтересована в применении биологии в инженерных немедицинских инновациях. Инженерная биология и биомедицинская инженерия дополняют друг друга, так как могут существовать небиологические 
товары для медицинских нужд, одновременно с биологическими товарами для 
немедицинских нужд (инженерных систем). Кроме того, в немедицинских аспектах биомедицинская инженерия тесно переплетается с биотехнологией. 
Фундаментом современного биоинжиниринга являются молекулярная 
биология, микробиология, генетика, биохимия, биофизика, технология, приборостроение. За последние 40–50 лет произошло скачкообразное развитие этих 
наук, что привело к форменной революции в производстве медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. Подобные исследования являются приоритетными направлениями научно-технического прогресса и в XXI веке займут ведущее место среди всех наук. Наука формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление 
и развитие условно можно подразделить на 4 периода. 
I. Эмпирический (греч. «эмперикос» – опытный), или доисторический, 
период – самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых 
более 6000 лет до нашей эры и около 2000 лет нашей эры. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, 
10