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, постге-
номных 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, технико-
внедренческих 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 научно-
технологических 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 биодегради-
руемых полимеров; сложные макромолекулярные комплексы для подвижных частей имплан-
татов и биоорганические системы для ускорения остеоинтеграции костных имплантатов; био-
замещаемые 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; им-
плантаты 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 – биоси-
миляр, 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, follow-
on 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