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

Некоторые термины и определения

10

соидную форму, диаметром от 15–20 нм (прокариоты) до 25–30 нм (эукариоты).

Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов 

поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность 
физиологических процессов (гомеостаз). Саморегуляция осуществляется 
благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Включение той или иной регуляторной системы может 
стартовать при изменении концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.

Седиментация – оседание или всплывание частичек дисперсионной 

фазы (пузырьки, крупинки и т.п.).

Синергетика – (от греч. synergetikos – согласованно действующий) –

междисциплинарное направление научных исследований изучения природных явлений на основе самоорганизации.

Солитон – структурно устойчивая усредненная величина, распро
страняющаяся в нелинейной среде.

Спин – собственный угловой момент количества движения электрона.
Теория катастроф – раздел прикладной математики для исследова
ния динамических систем.

Термодинамика неравновесных процессов – термодинамика необра
тимых процессов.

Ти мус (ви лочковая железа) – орган лимфопоэза человека и многих 

видов животных, в котором происходит созревание, дифференцировка и 
иммунологическое «обучение» T-клеток иммунной системы.

Ферменты – это синтезирующиеся живыми клетками белковые мо
лекулы. В каждой клетке их насчитывается более сотни. Другое название 
ферментов – биологические катализаторы, при этом они не расходуются в 
процессе реакции и не изменяют ее направления. Если бы не было ферментов, то все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно, что 
в свою очередь сказывалось на жизнеспособности.

Хиральность (от греч. cheir – рука) – свойство молекулы не совме
щаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан 
на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета –
руки (левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве).

Цитокины – небольшие пептидные информационные молекулы.

Некоторые термины и определения

11

Цитоплазма (от греч. «клетка» и «содержимое») – полужидкое со
держимое клетки, внутренняя среда живой или умершей клетки, кроме ядра и вакуоли, ограниченная плазматической мембраной.

Экситон – элементарное возбуждение электронной системы отдель
ной молекулы. Квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике и полупроводнике, не связанное с перемещением зарядов.

Экспрессия генов – это процесс переноса генетической информации 

от ДНК посредством РНК к белкам и полипептидам.

Элиминация (от лат. Elimino – выгонять за порог, изгонять, выгонять) 

– в биологии процесс вымирания отдельных особей, групп особей или целых популяций, а также их устранение от размножения в результате различных факторов среды. Является многозначным термином.