Перспективные биоматериалы для медицины

 

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования 
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Ф.М. ДОСТОЕВСКОГО 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ БИОМАТЕРИАЛЫ 
ДЛЯ МЕДИЦИНЫ 

 
Монография 

 
 
 
 
© ФГБОУ ВО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского», 2019 
 

ISBN 978-5-7779-2265-6 
 
 

 
 
 

Омск 

 
2019 

 

 

УДК 606 
ББК 58я05 
 
П278 

 
Рецензенты: 
канд. пед. наук, доц. кафедры физики и химии ОмГУПС И.М. Зырянова; 
канд. хим. наук, доц. кафедры неорганической химии 
ОмГУ им. Ф.М. Достоевского П.А. Пятанова 

 
Научный редактор 
д-р геол.-минерал. наук, проф. кафедры неорганической химии 
ОмГУ им. Ф.М. Достоевского О.А. Голованова 

 
Авторы: 
О.А. Голованова (гл. 1, 2, 5); Л.Г. Пьянова (гл. 3); М.С. Делягина (гл. 3); 
А.В. Седанова (гл. 3); С.А. Герк (гл. 4); Е.С. Чиканова (гл. 5) 
 
 
 
П278 
 
Перспективные биоматериалы для медицины [Электронный ресурс] : монография / [О. А. Голованова и др. ; науч. ред. О. А. Голованова]. – Электрон. текстовые дан. – Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та, 2019. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; 
12 см.  

ISBN 978-5-7779-2265-6 

Представлены новейшие данные о перспективных материалах биомедицинского назначения, способах их исследования и переработки в специализированные изделия.  
Подготовлена по итогам работы молодежной школы-семинара «Современные методы исследования в диагностике бионаноматериалов и бионаноструктур», проходившей 23–
24 апреля 2017 г. на базе Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского и 
студенческого конструкторского бюро «Биокомпозит» в рамках реализации программы 
раз-вития деятельности студенческих объединений.  
Для студентов, аспирантов, научных работников и специалистов в области материаловедения, биотехнологов, химиков-технологов, экологов. 

УДК 606 
ББК 58я05 
 
 
Текстовое электронное издание 
Самостоятельное электронное издание 
 
 
 
Минимальные системные требования: 
процессор с частотой 1,3 ГГц или выше; ОЗУ 512 Mб; Microsoft Windows XP/Vista/7/8/10; 
Adobe Acrobat Reader 8.0 и выше; CD-ROM; мышь 
 
 
 
 
© ФГБОУ ВО «ОмГУ им. Ф.М. Достоевского», 2019 

 

 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
Редактор Д.С. Нерозник 
Технический редактор Н.В. Москвичёва 
Программно-техническая реализация Е.А. Малыгиной 
 
 

Дата выпуска: 11.02.2019. 
1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12 см. 
Тираж 10 копий. Объем 5,3 Мб. 
 
 

Издательство  
Омского государственного университета 
им. Ф.М. Достоевского 
644077, г. Омск, пр. Мира, 55а 
тел.: 8 (3812) 67-32-55, 64-30-61, 64-13-07 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
Ухудшение экологической обстановки в крупных промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту заболеваний человека, что обусловливает необходимость разработки новых методов лечения и профилактики болезней.  
Разработка новых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма, представляет собой задачу высокой сложности. Современное 
состояние и тенденции развития медицинских основ жизнедеятельности организма в мире 
и в России характеризуются тем, что спрос на услуги данной медицины постоянно растет и в 
современном обществе всё больше людей уделяют внимание качеству жизни, которое, в основном, определяется качеством здоровья. Поэтому государству, обществу и, естественно, системе здравоохранения необходимо решать просветительскую задачу, знакомить людей с возможностями превентивного подхода; добиваться понимания того, что над здоровьем необходимо постоянно работать. Кроме того, стране и обществу необходима новая медицинская научно-практическая школа, как для воспитания врачей-специалистов, так и для широкого распространения системного клинического мышления. Существующее на данный момент значительное количество фундаментальных научных исследований в области превентивной медицины актуализирует необходимость разработки автоматизированных диагностических систем. 
Это позволит сделать диагностику доступной для многих практических врачей.  
С учетом сказанного, проведенная научная школа-семинар «Современные методы исследования в диагностике бионаноматериалов и бионаноструктур», по материалам которой составлена настоящая монография, как никогда актуализировала работы в области медицины, став при этом своеобразным интеллектуальным авангардом, ориентированным на сохранение полноценного человека в физическом, духовном и интеллектуальном отношении. 
Основными результатами работы данного научного мероприятия стали ознакомление молодых исследователей с широким междисциплинарным спектром подходов к изучению основных направлений и возможностей данной медицины, разработка практических рекомендаций 
по ее изучению, предоставление возможности аспирантам, магистрантам, студентам представить свои исследования и в дискуссионной форме обсудить их. 
 
  
 

Глава 1 

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАТФОРМЫ «МЕДИЦИНА БУДУЩЕГО» 

 
 
1.1. Технологическая платформа «Медицина будущего» 
в контексте актуальных процессов 

Ключевыми факторами развития медицины и здравоохранения становятся старение населения; увеличение распространенности онкологических, сердечно-сосудистых и инфекционных заболеваний, болезней обмена веществ, патологий мозга; связанные с этим значимые 
показатели смертности. Подобное состояние  обусловливает появление новых рынков, динамика которых будет определяться потребностями в новых способах диагностики и лечения, 
неинвазивных надежных экспресс-технологиях мониторинга в домашних условиях, дистанционных методах предоставления медицинских услуг, характеризующихся профилактической направленностью, безопасностью и высокой эффективностью. 
В мире появился устойчивый спрос на новое качество жизни, включая возможности 
компенсации утраченной функции организма, органа или его части. Следствием этого стал 
активный рост рынков медицинских биотехнологий и услуг высокотехнологичной и персонализированной медицины. Дальнейший прогресс в области биоинформационных, постгеномных и протеомных технологий предоставит медицине возможность персонализации терапевтического воздействия. 
Перспективы развития этого направления определяют следующие вызовы: повышение 
онкологической заболеваемости и смертности; рост смертности вследствие сердечно-сосудистых заболеваний; распространение заболеваний, связанных с низким уровнем гигиены; рост 
заболеваний, связанных с нарушением метаболических процессов; повышение заболеваемости хроническими обструктивными болезнями легких; распространение болезней больших 
городов; распространение аллергических патологий; рост заболеваний, связанных со старением населения; рост патологий опорно-двигательного аппарата вследствие распространения 
изменения образа жизни. 
Развитие приоритетного направления в средне- и долгосрочной перспективе определяется следующими возможностями: усиление потребностей в материалах с новыми свойствами; рост спроса на неинвазивную диагностику; повышение спроса на дистанционные методы 
диагностики; рост спроса на приборы «домашней медицины»; ускоренное освоение Арктики 
и Антарктики и рост спроса на экстремальную медицину; рост спроса на органы и ткани для 
замещения; смена основных игроков на мировых рынках фармацевтики; развитие направленной регуляции клеточной дифференцировки; усиление потребностей в технологиях для персонализированной медицины; развитие принципов таргетной терапии; развитие исследований в области эпигенетики; развитие теории канцерогенеза; возможность прижизненной визуализации структурно и функционально измененных клеток; распространение «умных» лекарств; расширение применения биоэлектронных интерфейсов; развитие исследований в области регуляции экспрессии генома; появление электронных аналогов органов чувств; развитие методов управления когнитивными функциями. 
Угрозы для России в указанной сфере: высокая смертность вследствие сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, травм и отравлений; недостаточная эффективность существующих мер по предупреждению инфекционных заболеваний; неэффективная система 
реабилитации; высокая стоимость лекарственной терапии социально значимых заболеваний; 
высокий уровень алкоголизации населения, в том числе молодежи; параллельный всплеск 
«болезней нищих» (туберкулеза, педикулеза и т. п.) и «болезней богатых» (стрессов, нервных 

патологий, расстройств личности и т. п.) вследствие усиливающегося социального расслоения; склонность россиян к самолечению и высокий уровень недоверия к «официальной» медицине. 
Объем мирового рынка биотехнологий на сегодняшний день оценивается в 270 млрд 
долл., а прогнозируемые темпы роста до 2020 г. составляют 10–12 % в год. Таким образом, 
ожидается, что объем рынка вырастет более чем в два раза и к 2020 г. составит около 600 млрд 
долл. [1]. 
Технологическая платформа «Медицина будущего» [2] объединяет предприятия и организации бизнеса и науки, деятельность которых связана с разработкой технологий для производства и вывода на рынок инновационной продукции для медицины и здравоохранения, 
а также с созданием новых медицинских технологий диагностики и лечения и внедрения на 
их основе новых медицинских услуг. В связи с многокомпонентностью медицины деятельность платформы ориентирована на четыре наиболее наукоемких направления:  
биофармацевтика;  
биосовместимые и биодеградируемые многокомпонентные биокомпозитные медицинские материалы;  
приборы для диагностики и лечения;  
диагностические и лечебные системы на основе молекулярных и клеточных мишеней. 
Цель программы – создание научно-технологического задела для медицины будущего, 
базирующегося на совокупности приоритетных исследований и разработок, определяющего возможность появления новых рынков высокотехнологичной продукции и услуг, а также быстрого распространения передовых технологий в медицинской и фармацевтической отраслях [2].  
Задачи программы [2]: 
разработать совокупность технологий, способных составить ресурсную и идеологическую основу научно-технологического «прорыва» и появления новых рынков высокотехнологичной продукции (услуг);  
обеспечить появление, экспертизу и сопровождение комплексных научных проектов, 
ориентированных на создание высокотехнологичной продукции (услуг), формирование научно-технологических заделов в соответствии со структурой спроса, предъявляемого со стороны бизнеса и общества;  
стимулировать инновации, расширять научно-производственную кооперацию и процесс формирования новых партнерств, в том числе с привлечением региональных научных 
центров, инициировать поддержку научной деятельности для обеспечения генерации новых 
идей и прорывных научно-технологических решений;  
развивать и поддерживать на мировом уровне базовый научно-методический комплекс в области биомедицины, фармации, новых материалов для медицины, медицинского 
приборостроения за счет аккумуляции и рационального использования имеющихся материально-технических ресурсов НИИ и вузов России, координации усилий представителей практической медицины, разработчиков биомедицинских НИОКР и бизнеса, а также широкомасштабных государственных программ;  
обеспечить подготовку кадров для всех этапов создания инновационного продукта, в 
том числе на стыке наук для реализации проектов на основе конвергентных технологий в области медицины и фармацевтики;  
создать коммуникативные площадки и технологии для взаимодействия ученых, врачей и предпринимателей в процессе внедрения конвергентных технологий в медицину;  
привлечь дополнительные корпоративные и частные финансовые ресурсы для проведения необходимых исследований и разработок; сконцентрировать финансирование иссле

дований и разработок в тех областях, которые являются наиболее значимыми или ключевыми для реализации данной программы;  
интегрировать предприятия и малый бизнес в мировое научное и инновационное пространство, гармонизировать научно-технологическое развитие высокотехнологичных секторов медицины и фармации России с векторами развития технологических инициатив в области медицины за рубежом;  
активизировать взаимодействие бизнеса и общества при реализации стратегически 
перспективных программ развития инновационного бизнеса в области медицины и определить ключевые направления совершенствования развития медицинской и фармацевтической 
отраслей;  
создать конкурентную среду путем увеличения числа отечественных инновационных разработок в области биомедицины, фармации, медицинских материалов, оборудования 
для медицины и сформировать «инновационный лифт» как механизм передачи инновационных проектов из одного института развития в другой;  
развивать технологическое прогнозирование (форсайт) и мониторинг развития медицины и фармацевтики как инструмент для научно-обоснованного принятия решений по определению научных и технологических приоритетов, обеспечить анализ рыночного потенциала 
технологий;  
скоординировать деятельность платформы с параллельным развитием сети технопарков, бизнес-инкубаторов, центров трансферта технологий, венчурных компаний, техниковнедренческих особых экономических зон, инжиниринговых и проектных фирм, систематизировать информацию о кадровых, научно-технических и бизнес-ресурсах в области высокотехнологичной медицины и фармацевтики;  
подготовить предложения по открытию национальных исследовательских центров 
на наиболее значимых направлениях науки, институтов независимой оценки деятельности 
научных организаций в соответствии с международной практикой, создать комплексные региональные программы развития высокотехнологичной медицины и фармацевтики, развивать региональные центры компетенции и систему распределенных инновационных научнотехнологических кластеров по направлениям деятельности платформы.  
 
1.2. Состояние рынков по основным показателям  

Перспективные рынки и продуктовые группы 
Регенеративная медицина: тканевые и органные эквиваленты, полученные с применением генно-инженерных и клеточных технологий; таргетные биологически активные вещества для регенерации поврежденных тканей; активные молекулярные компоненты стволовых 
клеток для регенерации тканей; технологии и препараты на основе модифицированных клеточных систем для конкурентной терапии аутоиммунных, онкологических и неврологических заболеваний; неорганические и органические материалы неживотного происхождения 
для направленной регенерации целевых органов и тканей. 
Биодеградируемые материалы: новые хирургические материалы на основе биодеградируемых полимеров; сложные макромолекулярные комплексы для подвижных частей имплантатов и биоорганические системы для ускорения остеоинтеграции костных имплантатов; биозамещаемые материалы для ортопедии, повторяющие архитектонику костной ткани. 
Небиодеградируемые материалы: композиционная керамика и лекарственные цементы; перевязочные средства и трансдермальные пластыри; материалы-миметики для протезирования. 
Системы диагностики: высокочувствительные сенсоры физических и физиологических параметров человека; реагенты; аппаратно-программные комплексы для анализа стати

ческих макромолекулярных маркеров; диагностические системы многофакторного статистического анализа количественных и качественных данных о низко- и высокомолекулярных 
маркерных молекулах; протеомные и геномные биомаркеры. 
Сложные имплантаты: индивидуально-совместимые («умные») имплантаты на металлической, керамической или полимерной основе, не требующие периодической замены; имплантаты с биоактивными покрытиями для ускорения остеоинтеграции и совмещения с тканями; биорезорбируемые имплантаты для восстановления поврежденных сосудов; стенты. 
Хирургическая техника: системы инвазивной визуализации, в том числе удаленного 
управления; робототехника; хирургические лазеры; системы микроманипулирования (для высокопрецизионных хирургических манипуляций). 
Лекарственные средства и системы их адресной доставки: рекомбинантные белковые 
препараты; препараты на основе нуклеиновых кислот, в том числе для генной терапии; препараты на основе моноклональных антител, обеспечивающие высокую специфичность действия; компоненты и системы направленной доставки лекарственных средств, в том числе на 
основе неорганических наноматериалов. 
Системы прижизненной неинвазивной визуализации: позитронно-эмиссионные томографы и контрасты для визуализации ультравысокого разрешения; магниторезонансные томографы ультравысокого разрешения; системы визуализации на основе биофизических характеристик сред организма (эффекта Доплера и т. п.). 
 
Биофармацевтическое направление  
Общий объем фармацевтического рынка России в 2012 г. составил около 30 млрд долл. 
в ценах конечного потребления. Рост по сравнению с 2010 г. составил около 20 %. Российский 
рынок биофармацевтических препаратов в 2012 г. можно приблизительно оценить в 2,4 млрд 
долл. При этом наибольший объем продаж приходился на сегмент цитокинов, генноинженерных гормонов (включая инсулин), коагулянтов и терапевтических ферментов – 1,4 млрд 
долл. США [3]. 
В настоящее время доля современных инновационных отечественных препаратов составляет менее 1 %, на долю импортных инновационных препаратов приходится не более 30 %, а 
доля российских препаратов на рынке в целом не превышает 20 % на аптечном рынке и менее 10 % – на рынке государственных закупок. 
По данным Государственной программы «Развитие фармацевтической и медицинской 
промышленности Российской Федерации» на 2013–2020 гг., отечественная фармацевтическая 
промышленность использует около 8 000 условных тонн субстанций в год, из которых около 
2 000 условных тонн производят отечественные предприятия. Доля субстанций высокотехнологичной промышленной схемы получения (более шести стадий синтеза) составляет 35 % (в 
том числе 15 %, произведенных в России) – в количественном выражении, и 34 % (в том числе 5 %, произведенных в России) – в денежном. Доля биотехнологических субстанций составляет 39 % в денежном выражении, из которых в России производится всего 2 %. Образующийся дефицит покрывается импортом субстанций. Основными странами-импортерами являются 
Китай и Индия [4].  
В 1992 г. в России производилось 272 наименования фармацевтических субстанций общим объемом около 17 000 условных тонн, при этом удовлетворение потребности производства лекарственных средств на внутреннем рынке в разных группах составляло от 70 до 100 %; 
кроме того, значительная часть производимых субстанций экспортировалась в страны СЭВ. 
За период с 1992 по 2008 г. объем производства субстанций в Российской Федерации сократился более чем в 20 раз (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Производство лекарственных субстанций в России (тыс. т) [3] 
 
Российский рынок медицинских биопрепаратов в сравнении с рынком развитых стран 
невелик: его объем составляет около 2,2 млрд долл. против 20 млрд долл. в США. В основном это рынок традиционной биофармацевтики (диагностические или профилактические 
средства: вакцины, бактериофаги, тест-системы и т. д.) [5]. Государственная программа «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации» на 2013–
2020 гг. предусматривает повышение конкурентоспособности отечественной фармацевтической промышленности путем гармонизации российских стандартов по разработке и производству лекарственных средств с международными требованиями [4].  
В настоящее время начинается конкуренция между традиционными синтетическими 
лекарственными средствами и биофармацевтическими препаратами. Становится привычным 
новый термин «биофармация». Действующее вещество биотехнологических препаратов имеет биологическое происхождение и является производным от живых клеток, обладает сложной гетерогенной молекулярной структурой. Исходным субстратом служат клетки животного происхождения или микроорганизмы. Активное начало биотехнологических / биологических препаратов обычно представлено биополимерами. Чаще всего это протеин, который имеет сложную пространственную структуру – первичную, вторичную, третичную и даже четверичную. В одну молекулу может входить до 1 300 аминокислот, а также дополнительные 
молекулы, например сахара. Эти сложные биополимеры имеют молекулярную массу, в сотни 
и даже тысячи раз бóльшую, чем вещества, получаемые методом химического синтеза. В их 
создании большое значение придается как самой формуле – молекуле, так и биотехнологическому процессу ее производства. Ведь речь идет о синтезе сложных белковых структур, имеющих определенные пространственные характеристики, большую молекулярную массу, сложное строение. Причем в настоящее время практически не существует таких аналитических 
методик, которые позволяли бы оценить все биологические и клинические свойства белков в 
биотехнологических препаратах и на 100 % подтвердить их идентичность веществам, которые использованы в оригинальных препаратах. Выделить из живых организмов полностью 
идентичный аналог затруднительно. Можно произвести только похожий препарат – биосимиляр, который представляет собой воспроизведенное биотехнологическое лекарственное 
средство, схожее с произведенным впервые (оригинальным) и представленное на регистрацию после истечения срока действия его патента (similar biological medicinal product). Или, в 
другой терминологии, биоаналог, биоаналогичный препарат, биоподобный препарат, followon protein products (препарат, подобный белковым лекарственным средствам). Подобные 
биологические лекарственные препараты не являются дженериками, поэтому могут быть не

значительные различия между биоподобными препаратами разных производителей и/или в 
сравнении с оригинальным препаратом, и эти различия могут быть не видны до тех пор, пока 
не будет накоплен длительный опыт их применения. Как уже отмечалось, биоподобные препараты не могут быть на 100 % идентичны оригинальным биотехнологическим лекарственным средствам. Полностью оценить различия эффективности и безопасности между оригинальными биотехнологическими препаратами и биосимилярами можно только в ходе клинических испытаний [5–8]. 
Анализируя отраслевую сегментацию, можно отметить, что на биофармацевтику («красные» биотехнологии) приходится около 60 % объема мирового рынка, на промышленные 
биотехнологии («белые», в том числе биоэнергетика) – около 35 %, агробиотехнологии («зеленые») и на природоохранные («серые») биотехнологии – оставшиеся 5 % объема мирового 
рынка. Некоторые специалисты выделяют также «голубые» биотехнологии – относящиеся к 
изучению водной среды [9]. 
 
Биосовместимые и биодеградируемые многокомпонентные материалы на металлической, керамической и полимерной основе  
Развитие современной техники требует новых конструкционных материалов, превосходящих по своим прочностным, упругим и другим свойствам традиционные. К числу наиболее 
перспективных относятся полимерные материалы (пластики, эластомеры, волокна), и в первую очередь наполненные. Конструкционные полимерные материалы всё чаще применяют в 
современном машиностроении, причем их используют в тех случаях, когда ни один другой 
материал не отвечает всё более возрастающим требованиям новой техники.  
В настоящее время полимеры и материалы на их основе серьезно потеснили такие основные конструкционные материалы, как металл. Возможности полимерных материалов чрезвычайно широки благодаря многообразию полимеров и наполнителей, неисчерпаемой вариабельности составов композитов на их основе и методов их модификации. Основным технологическим приемом получения полимерных композитов длительное время являлось механическое смешение наполнителя и полимерной матрицы. Полимеризационное наполнение – химическая прививка катализатора либо инициатора к поверхности наполнителя и последующая полимеризация или сополимеризация мономеров на этих поверхностях – возможно, открывает новую страницу в химии и технологии композитов.  
Развитие технологии композиционных полимерных материалов в настоящее время 
определяется научными исследованиями в области полимерного материаловедения, поскольку проблема взаимодействия наполнителей и матриц весьма многогранна [10–14]. Современный человек сталкивается с полимерными материалами не только в технике, но и в повседневной практике, поэтому знание основных свойств этих материалов и умение правильно использовать их постепенно становятся необходимыми всё более широкому кругу людей. 
Из-за высокой себестоимости продукции (около 5–8 долл. за 1 кг) суммарный объем 
производства биополимеров сравнительно невелик – около 400 тыс. т ежегодно, причем всего 
несколько процентов биополимеров используется для производства медицинских изделий.  
Промышленного производства необходимых биополимеров в России пока не создано. 
На российском рынке более чем на 90 % присутствуют медицинские изделия зарубежного производства. Так, импорт только хирургических шовных материалов в 2011 г. составил 107,7 т 
на общую сумму 35 млн долл.  
Другим значимым направлением отрасли является эндопротезирование. По данным Российского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена 
(РНИИТО), потребность только в эндопротезировании тазобедренного сустава составляет в