Наноструктуры в биомедицине

НАНОСТРУКТУРЫ
В БИОМЕДИЦИНЕ

BIOMEDICAL
NANOSTRUCTURES

Москва
Лаборатория знаний
2020

НАНОСТРУКТУРЫ
В БИОМЕДИЦИНЕ

Под редакцией

Кеннет Е. Гонсалвес
Крейг Р. Хальберштадт
Като Т. Лоренсин
Лакшми С. Наир

Перевод с английского

канд. хим. наук С. А. Бусева 
канд. хим. наук  Т. П. Мосоловой
канд. физ.мат. наук А. В. Хачояна

4е издание, электронное

УДК 57-022.532
ББК 5+28.072+24.5
Н25

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.

Н25
Наноструктуры в биомедицине / под ред. К. Гонсалвес,
К. Хальберштадт, К. Лоренсин, Л. Наир ; пер. с англ. —
4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. —
538 с. — (Нанотехнологии). — Систем.
требования:
Adobe
Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-729-5
Книга представляет собой обзор исследований, посвященных
вопросам применения наноструктурированных материалов в целях ранней диагностики опасных болезней, адресной доставки
лекарств к пораженным тканям и органам, разработок принципиально новых методов терапии и хирургии, создания молекулярных
инструментов и нанохирургии, протезирования, трансплантации
и регенерации тканей и решения других биомедицинских задач.
Авторский коллектив объединил ученых США, Великобритании,
Индии и Кореи.
Для исследователей и клиницистов, а также преподавателей
и студентов, заинтересованных в получении знаний по нанобиотехнологиям.
УДК 57-022.532
ББК 5+28.072+24.5

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наноструктуры
в
биомедицине
/
под
ред.
К. Гонсалвес,
К. Хальберштадт, К. Лоренсин, Л. Наир ; пер. с англ. — М. : БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2012. — 519 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — (Нанотехнологии). — ISBN 978-5-9963-0525-4.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-729-5

c○ 2008 by John Wiley & Sons, Inc.
All Rights Reserved. This EBook is
published under license with the original
publisher John Wiley & Sons, Ltd.

c○ Перевод, оформление. Лаборатория
знаний, 2015

4

Агравал Амит. Факультет биомедицинской инженерии, Университет Эмори,
Атланта, США.

Бетагери Гуру В. Главное отделение фармацевтических наук, Фармацевтический колледж Западного университета наук о здоровье, США.

Блэкборн Уильям Х. Технологический институт штата Джорджия, Школа химии и биохимии и Пети институт по биоинженерии и биологическим наукам, Атланта, США.

Бхаттачариа Субхабрата. Химический факультет университета штата Виргиния, США.

Вазир Джасприт К. Отделение фармакологии, Фармацевтический колледж,
Университетский медицинский центр Небраски, Омаха, США.

Валмикинантан Чандра М. Отделение химии, биомедицины и материаловедения, Технологический институт Стивенса, Хобокен, США.

Ван Дзюньпин. Отделение химии, биомедицины и материаловедения, Технологический институт Стивенса, Хобокен, США.

Ван И-Нин Е. Лаборатория биоматериалов и методов тканевой инженерии,
Отделение
биомедицинской
инженерии,
Колумбийский
университет,
Нью-Йорк, США.

Ван Май Дуньмэй. Факультет биомедицинской инженерии, Технологический
институт штата Джорджия, Атланта, США.

Гасиоровски Джошуа З. Хирургическое отделение, Школа ветеринарной медицины, Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Гонсалвес Кеннет Е. Лаборатория полимерной нанотехнологии, Химический
факультет и центр оптоэлектроники и оптической связи, Университет штата
Северная Каролина, США.

Гуань Цзиньцзяо. NSF нанонауки и инженерный центр по наноинженерным
полимерным биомедицинским устройствам, Университет штата Огайо,
Колумбия, США.

Демирси Уткан. Гарвардская медицинская школа, Отделение наук о здоровье
и технологии, Массачусетский технологический институт, Кембридж,
США; Бриган и женская больница, Кембридж, США.

АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ

Добсон Джон. Институт наук и технологий в медицине, Кильский университет,
Хартсхил, Stoke-он-Трент, Великобритания.

Докмеси Мехмет Р. Факультет прикладной электроники, Северо-восточный
университет, Бостон, США.

Дубе Никхил. Факультет биологических наук и биоинженерии, Индийский
технологический институт, Канпур, Индия.

Дутта Джойдип. Факультет биологических наук и биоинженерии, Индийский
технологический институт, Канпур, Индия.

Ингбер Дональд Е. Сосудистая биологическая программа, Отделение патологии и хирургии детского госпиталя и Гарвардской медицинской школы, Бостон, США.

Катти Дхирендра С. Факультет биологических наук и биоинженерии, Индийский технологический институт, Канпур, Индия.

Коллингвуд Джоанна Ф. Институт наук и технологии в медицине, Кильский
университет, Хартсхил, Stoke-он-Трент, Великобритания.

Кофрон Мишель Д. Факультет биомедицинской инженерии, Университет
штата Виргиния, США.

Кумбар Сангамеш Г. Факультет ортопедической хирургии, Университет штата Виргиния, США.

Лабхасетвар Винод. Отделение биомедицинской инженерии, Институт исследований Лернера, Кливлендский клинический фонд, Кливленд, США.

Лайон Эндрю. Технологический институт штата Джорджия, Школа химии и
биохимии и Пети Институт по биоинженерии и биологическим наукам,
Атланта, США.

Леле Танмей. Факультет химической инженерии, Университет штата Флорида, Гейнсвилл, США.

Ли Л. Джеймс. NSF нанонауки и инженерный центр по наноинженерным полимерным биомедицинским устройствам, Университет штата Огайо, Колумбия, США.

Ли Цзяньвэй Джефф. Исследовательский центр по био/нано взаимодействиям, Химический факультет, Онкологический центр Шенса, Университет
штата Флорида, Гейнсвилл, США.

Ли Юун-Сик. Лаборатория органического синтеза, Школа химической и биохимической инженерии, Сеульский национальный университет; Корейский
институт наноустройств, Национальный исследовательский центр; Сеульский национальный университет, Сеул, Корея.

6
Авторский коллектив

Лилиенсик Сара Дж. Хирургический факультет, Школа ветеринарной медицины, Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Лоренсин Като Т. Факультет ортопедической хирургии, Отделение биомедицинской и химической инженерии, Университет штата Виргиния, США.

Лу Хелен Х. Биоматериалы и лаборатория методов тканевой инженерии, Факультет биомедицинской инженерии, Колумбийский университет, Нью-Йорк; Колледж стоматологической медицины, Колумбийский университет, Нью-Йорк,
США.

Мвенифумбо Стив. Отделение материалов, Имперский колледж Лондона,
Лондон, Великобритания; Институт биомедицинской инженерии, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания.

Мерфи Кристофер Дж. Хирургический факультет, Школа ветеринарной медицины, Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Моррисон Дэвид В.Г. Гарвардская медицинская школа, Отделение наук о здоровье и технологии, Массачусетский технологический институт, Кембридж,
США.

Наир С. Лакшми. Факультет ортопедической хирургии, Университет штата
Виргиния, США.

Не Шумин. Факультет биомедицинской инженерии, Университет Эмори,
Атланта, США.

Нили Пол Ф. Отделение химии и биологической инженерии, Школа ветеринарной медицины, Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Нукаварапу Сиам П. Факультет ортопедической хирургии, Университет штата Виргиния, США.

Райт Ли Д. Школа биомедицинской инженерии и наук, Виргинский технологический колледж, Блэксбург, США.

Рассел Пол. Отделение хирургии, Школа ветеринарной медицины, Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Роджерс Аманда. Отделение химии, биомедицины и материаловедения, Технологический институт Стивена, Хобокен, США.

Сингх Ниту. Технологический институт штата Джорджия, Школа химии и биохимии и Пети Институт по биоинженерии и биологическим наукам,
Атланта, США.

Соппимат Кумераш С. Колледж фармакологии, Западный университет наук о
здоровье, Помона, США.

Авторский коллектив
7

Стивенс Молли М. Отделение материалов, Имперский колледж Лондона,
Лондон, Великобритания; Институт биомедицинской инженерии, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания.

Тань Вэйхун. Исследовательский центр био- и нановзаимодействий, Отделение химии, Онкологический центр Шендса, Университет штата Флорида,
Гейнсвилл, США.

Фоли Джон Д. Хирургическое отделение, Школа ветеринарной медицины,
Университет штата Висконсин, Мэдисон, США.

Фриман Джозеф В. Школа биомедицинской инженерии и наук, Виргинский
технологический колледж, Блэксбург, США.

Хадемхоссейни Али. Гарвардская медицинская школа, Отделение наук о здоровье и технологии, Массачусетский технологический институт, Кембридж,
США; Центр по биомедицинской инженерии, Бриган и женская больница,
Кембридж, США.

Хальберштадт Крейг. Tengion, Inc., Winston Salem, США.

Хе Хунъянь. NSF нанонауки и инженерный центр по наноинженерным полимерным биомедицинским устройствам, Отделение химической и биомолекулярной инженерии, Университет штата Огайо, Колумбия, США.

Хэ Вэй, Факультет биомедицинской инженерии, Технологический институт
штата Джорджия, США.

Цао Цзехуэй Чарльз. Центр исследований био- и нановзаимодействий, химическое отделение, Онкологический центр Шендса, Университет штата Флорида, Гейнсвилл, США.

Чэнь Янь. Центр исследований био- и нановзаимодействий, химическое отделение, Онкологический центр Шендса, Университет штата Флорида, Гейнсвилл, США.

Чо Мьюнг-Хаинг. Лаборатория токсикологии, Колледж ветеринарной медицины, Сеульский национальный университет, Корейский институт наносистем, Национальный центр исследований, Сеульский национальный университет, Сеул, Корея.

Юй Бо. NSF нанонауки и инженерный центр по наноинженерным полимерным
биомедицинским устройствам, Отделение химической и биомолекулярной
инженерии, Университет штата Огайо, Колумбия, США.

Юй Сяогунь. Отделение химии, биомедицины и материаловедения, Технологический институт Стивена, Хобокен, США.

8
Авторский коллектив

Часть I

ПОЛУЧЕНИЕ  НАНОСТРУКТУР

1.1.
Введение

В настоящее время во всем мире вызывают интерес методы исследования и
способы получения наномасштабных структур. Чрезвычайно небольшие размеры подобных устройств и функциональные особенности наноматериалов
в недалеком будущем могут изменить практически все аспекты человеческой
жизни.
Посредством наномасштабных устройств осуществляют направленную доставку лекарств в организме; наноструктуры задействованы в процессах регенераций костной и хрящевой тканей, изготовлении сердечных клапанов, диагностике и лечении рака, терапии болезней Паркинсона и Альцгеймера и во
множестве других медицинских применений.
Покрытия, толщиной всего в одну молекулу, повышают износоустойчивость деталей механизмов, нанесение подобных слоев с особыми оптическими
свойствами устраняет световые блики на стеклах.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) и наноэлектромеханические
системы (НЭМС) позволяют решать самые разные задачи, например исследовать человеческий организм (БиоМЭМС и БиоНЭМС) на молекулярном уровне. На практике БиоМЭМС используют уже несколько десятилетий, впервые
их начали применять в нейрофизиологии. В семидесятых годах прошлого столетия группой Отто Прохаска был разработан первый планарный микросенсор
для измерения активности нейронов. В своей работе [1] эти авторы сообщили о
создании зондов для исследования взаимодействий нервных клеток и изучения
патологической клеточной активности в коре головного мозга. Созданные компьютеры на основе НЭМС будут обладать огромным вычислительным потенциалом и быстродействием, занимая при этом гораздо меньше места.
Многие из применяемых в настоящее время методов получения наномасштабных устройств основаны на ранее созданных технологиях. Разумеется,
в некоторых специальных методах создания наноструктур применяются решения, найденные в ходе новейших разработок, другие основаны на комбинировании различных методов.

ГЛАВА 1

МЕТОДЫ  СОЗДАНИЯ  НАНОСТРУКТУР

Джозеф В. Фриман, Ли Д. Райт, Като Т. Лоренсин и Субхабрата Бхаттачариа

Перевод с англ. С. Бусева.