Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Программа

краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных

работников высшей школы по направлению

«Наноинженерия» на базе учебного курса

«Биокомпоненты наносистем»

Цель: Изучение основных вопросов, связанных с биотехнологиями и биоМЭМС/биоНЭМС, их функциональным составом, принципом работы и областями применения Категория слушателей: преподаватели, ведущие обучение по программе бакалавра/магистра по направлению «Наноинженерия»

Срок обучения: 36 часов (18 очная, 18 заочная) Форма обучения: очно-заочная с дистанционным обучением заочной формы Режим очных занятий: 6 часов в день – 3 дня с отрывом от работы Задачами данного курса является изучение:

o Методические аспекты преподавания курса в рамках реализации программ подготовки бакалавров/магистров по направлению «Наноинженерия»

o Изучение теоретических положений и получение практических навыков, направленных на понимание принципов работы наносистем биомедицинского назначения и биокомпонентов, лежащих в их основе;

o Изучение теоретических положений и получение практических навыков по микрофлюидике и основам жизни;

o Изучение видов, функционального состава и областей применения биологических и биомедицинских датчиков, лабораторий на чипе, микросистем полного анализа, систем направленной доставки лекарств, имплантируемых устройств и микроэлектродов;

o Применение достижений нанотехнологий для создания устройств биомедицинского назначения.

Требования к уровню освоения учебного курса Обучаемые должны:

Знать:

o Теоретические основы физических процессов, лежащих в основе биологических наносистем;

o Теоретические основы биологических процессов в живых организмах, их структуру, принципы функционирования и взаимодействия;

o Теоретические и практические основы микро- и наносистемной техники биомедицинского назначения: датчиков, лабораторий на чипе, анализаторов, систем доставки лекарств, имплантируемых устройств, принципы их проектирования и спектр решаемых задач;

o Основы применения современных достижений нанотехнологий в области биомедицины.

Уметь:

o Проводить качественный анализ и разрабатывать структурнофункциональные схемы микро- и наносистем биомедицинского назначения;

o Проводить анализ и проектирование биокомпонентов таких систем, удовлетворяющих функциональным требованиям и областям применения.

Иметь навыки:

o Анализа конструктивных реализаций и функционального состава современных биоМЭМС/биоНЭМС;

o Проведения качественной оценки и выбора оптимальных биокомпонентов наносистем, удовлетворяющих заданным требованиям;

o Применения принципов проектирования традиционных МЭМС/НЭМС для систем биомедицинского назначения;

o Разработки технологических процессов изготовления биокомпонентов и систем на их основе;

o Оптимизации конструкции и поиска альтернативных решений задачи проектирования биокомпонентов наносистем по критерию выходных параметров и функциональному назначению.

Учебный курс «Биокомпоненты наносистем» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного образовательного курса обеспечивает слушателя необходимым объмом знаний по выбранной тематике, включая подготовку слушателя к проведению лабораторного практикума. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному посещению лаборатории в Московском Государственном Техническом Университете им. Н. Э. Баумана.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены основы для изучения и применения методов разработки биоМЭМС/биоНЭМС. Теоретическая часть учебного курса состоит из семи лекций:

Лекция 1: Введение в биоМЭМС. Микрофлюидика Биомедицинская наноинженерия. Тканевая инженерия и биоматериалы. Медицинская визуализация. Нейропротезирование. БиоМЭМС. Микрофлюидика. Размерности и масштабы. Методы управления потоками жидкости. Ламинарные потоки. Диффузия.

Смешивание. Микрофлюидные устройства и системы. Вентили. Поверхностное натяжение. Двухфазные потоки.

Лекция 2: Объекты бионаноинженерии Клетка. Структура клеточной мембраны. Синтетические мембраны. Механизм обмена информацией. Примеры клеток в организме человека. Белки. Структура белков.

Селективное связывание. Функции белков. ДНК. Структура ДНК. Поток генетической информации. Экспрессия генов. Генетический код. Синтез белков. Иммунная система.

Антитела. Иммунная реакция. Связь антиген-антитело. Стволовые клетки.

Лекция 3: Основы биодатчиков Биодатчики. Определения. Биорецепторы. Преобразователи. Иммобилизация биологических компонентов. Иммунологический анализ. Взаимодействия антигенантитело. Микрофлюидные чипы для иммуноанализа. Электрохимические биодатчики.

Потенциометрические и амперометрические биодатчики. Области применения. Датчики уровня кислорода и глюкозы в крови. Оптические биодатчики. Флуоресценция.

Хемилюминесценция. Колориметрический анализ уровня глюкозы. Микрочипы на основе электрохемилюминесценции. Массочувствительные детекторы.

Лекция 4: Протеиновые и ДНК-микрочипы ДНК-микрочипы. Полимеразная цепная реакция (ПЦР). ПЦР-микрочипы. Разделение ДНК. Секвенирование ДНК. ДНК-матрицы и их применение. Протеиновые микрочипы.

Разделение белков. Присоединение белков. Протеиновые матрицы. Сравнение ДНК- и протеиновых матриц.

Лекция 5: Нанобиотехнологии Биодатчики на основе кантилеверов. Аффинные датчики. Области применения.

Обнаружение белков. Массочувствительные датчики. Обнаружение вирусов, бактерий и молекул. Молекулярная транслокация. Нанопоры. Принципы и примеры. Наноматериалы.

Примеры. Квантовые точки. Области применения. Наноманипулирование. Магнитный и оптический пинцеты. Атомно-силовой микроскоп. Сравнение и области применения.

Лекция 6: Доставка лекарств и имплантируемые устройства Методы доставки лекарств, биокапсулы и микрочастицы. Биодеградируемые полимеры.

Трансдермальная доставка. Микроиглы. Имплантируемые микросистемы. Осмотические помпы. Помпы на основе МЭМС. Кремниевые микропомпы. Пассивные регуляторы расхода. Вентильные устройства. Микровентили, чувствительные к метаболитам.

Взаимодействие тканей и имплантантов. Многоканальные устройства впрыскивания лекарств. Микрочипы для впрыскивания лекарств. Биодеградируемые матрицы резервуаров. Пассивные устройства впрыскивания лекарств. Пористые мембраны для контролируемого впрыскивания и инкапсуляции клеток. Трансплантация островковых клеток и микрокапсулы.

Лекция 7: Микроэлектроды Передача нервных импульсов. Потенциал действия и потенциал-зависимые ионные каналы. Нейроны. Нейротрансмиттеры. Планарные микроэлектродные матрицы.

Структура. Принципы измерений. Активные планарные микроэлектродные структуры с транзисторными матрицами. Имплантируемые электроды. Применение микроэлектродов:

восстановление зрения. Стимуляция зрительной коры головного мозга. Стимуляция зрительного нерва. Стимуляция сетчатки. Импланты сетчатки. Микрофотодиодные матрицы.

Очная (экспериментальная) часть учебного курса заключается в прохождении студентами лабораторного практикума. Все практические занятия по курсу проходят в специализированной лабораторной аудитории, оборудованной техническими средствами – микроскопами, с помощью которых студенты проводят исследования, связанные с биотехнологиями и биоМЭМС/биоНЭМС, их функциональным составом, принципом работы и областями применения.

Основные задания на лабораторный практикум:

- Исследование принципов проектирования, моделирования и изготовления биоМЭМС для направленной доставки лекарств;

- Проектирование, изготовление и исследование ДНК-микрочипов.

Методические рекомендации по реализации учебной программы Основой методических материалов по дисциплине «Биокомпоненты наносистем»

являются материалы, используемые при чтении курсов авторами в МГТУ им.

Н.Э.Баумана.

Материалы учебно-методического комплекса соответствуют программам подготовки по специальности «Наноинженерия и микросистемная техника», реализуемым в МГТУ им.Н.Э.Баумана. Разработаны с привлечением и в кооперации с НИИСИ РАН, ИРЭ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», ФТИАН РАН и др. предприятиями ННС. Структура и состав учебно-методического обеспечения соответствует требованиям Федеральных законов от 10.07.1992 N 3266-1 «Об образовании» (с изменениями и дополнениями) и от 22.08.1996 N 125-ФЗ «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» (с изменениями и дополнениями), Типового положения об образовательном учреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении), утвержденным постановлением Правительства РФ от 14 февраля 2008 г. N 71.

На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 18 часов соответственно. Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте nanolab.iu4.bmstu.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

1. Что характерно для давления как метода управления потоками жидкости?

А) Требует применения сложных Б) Зависит от вязкости и геометрии В) Сильно зависит от состава буферного Г) Как только микроканал заполняется, Ответ:

2. Куда направлена сила поверхностного натяжения?

А) Угол зависит от материала твердого тела Б) По касательной к участку контура, на В) Перпендикулярно к поверхности Г) По касательной к поверхности жидкости жидкости Ответ:

3. Для какого объекта число Рейнольдса будет наибольшим?

Ответ:

4. Для какого из перечисленных методов управления потоками требуется применение сложных интегральных структур Ответ:

5. Какой тип активных микроклапанов не подходит для большинства применений?

А) с магнитной актюацией Б) с электростатической актюацией В) с пьезоэлектрический актюацией Г) с термоактюацией Ответ:

1. Для какой реакции человеческих красных кровяных клеток характерна наименьшая концентрация ионов во внеклеточном пространстве?

Ответ:

2. Для какого уровня структур белка характерно стабилизированное взаимодействие между боковыми цепями аминокислотных остатков?

Ответ:

3. Какой тип стволовых клеток способен дифференцироваться в любые клетки организма?

Ответ:

4. Для какого типа клеток в организме человека характерны длинные многоядерные клетки?

Ответ:

5. Что характерно для четвертичной структуры белка?

А) Пространственное строение Б) Взаимное расположение нескольких В) Локальное упорядочивание фрагмента Г) Последовательность аминокислот, Ответ:

1. Для какого метода иммобилизации характерно формирование ковалентных химических связей между биологическим компонентом и преобразователем?

Ответ:

2. Для какого вида преобразователей в биодатчиках характерно использование полевых МОП транзисторов А) Потенциометрические преобразователи Б) Механические преобразователи В) Калориметрические преобразователи Г) Оптические преобразователи Ответ:

3. Для какого принципа преобразования характерны такие интеллектуальные материалы как компоненты ферментов и организмы и отсутствие преобразователей Ответ:

4. Какой тип электрохимических биодатчиков основан на способе измерения тока, возникающего в результате электрохимического окисления или ослабления электроактивных компонентов, под воздействием постоянной разности потенциалов А) Потенциометрические биодатчики Б) Биодатчики на основе В) Биодатчики на основе Г) Амперометрические биодатчики ионочувствительных полевых транзисторах (ISFET) Ответ:

5. Какой тип электрохимических биодатчиков основан на определении разности потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения А) Потенциометрические биодатчики Б) Биодатчики на основе В) Биодатчики на основе Г) Амперометрические биодатчики ионочувствительных полевых транзисторах (ISFET) Ответ:

1. Для какой стадии цикла ПЦР характерен нагрев ДНК-матрицы до 95 °C на 0.5–2 мин.?

Ответ:

2. Сколько циклов ПЦР обычно проводят?

Ответ:

3. Для какой стадии цикла ПЦР характерно разделение ДНК?

Ответ:

4. Какой метод разделения ДНК используется высокая ионная сила буферного раствора в центрифужных пробирках и разделение макромолекул происходит на основании их различий в плавучей плотности?

Ответ:

5. Для какой стадии цикла ПЦР характерно реплицирование матричной цепи ДНКполимеразой, используя праймер в качестве затравки.

Ответ:

1. Какой из инструментов наноманипулирования использует принцип присоединение активной биомолекулы (например, антитела) к одиночному шарику Ответ:

2. Какой чувствительностью обладает АСМ инструмент наноманипулирования?

Ответ:

3. Какой из инструментов наноманипулирования использует силу притяжения, которые возникают между атомами или молекулами и зондом?

Ответ:

4. Какой диапазон изменения силы характерен для оптического пинцета?

Ответ:

5. Какой из инструментов наноманипулирования работает за счет лазерного света?

Ответ:

Лекция 6: Доставка лекарств и имплантируемые устройства 1. Какая из групп методов доставки лекарств используется для трансдермальной доставки Ответ:

2. Какими размерами характеризуются наночастицы, используемые в доставке терапевтических молекул Ответ:

3. Какой из методов доставки лекарств обладает ограниченной степенью ускорения переноса лекарств В) Химические усилители Г) Безыгольное впрыскивание Ответ:

4. Толщина внешнего слоя человеческой кожи составляет Ответ:

5. Какой из методов доставки лекарств дат только ограниченную возможность непрерывной доставки?

В) Игла для подкожных инъекций Г) Безыгольное впрыскивание Ответ:

1. Какой вид нейронов передают информацию о каком-либо виде раздражителей: свете, механической силе или химическом веществе Ответ:

2. Какой длины может быть аксон