2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 生物医学工程中的生物材料设计

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——生物医学工程中的生物材料设计考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪一项不属于评价生物材料生物相容性的关键指标？A.组织相容性B.免疫原性C.材料降解产物毒性D.材料力学强度2.在设计用于硬组织替换的生物材料时，首要考虑的性能通常是？A.生物可降解性B.化学稳定性与力学强度C.良好的细胞粘附性D.优异的导电性3.仿生生物材料设计的核心思想是？A.利用最先进的合成材料B.模仿天然生物材料（如骨骼、皮肤）的结构与功能C.尽可能提高材料的力学性能D.降低材料的制备成本4.水凝胶作为生物材料，其最主要的优势之一是？A.高温稳定性B.快速固化能力C.类似细胞外基质的结构和渗透性D.良好的导电导热性5.对于需要长期植入体内的药物缓释载体，以下哪个因素不是需要重点考虑的？A.药物的溶解度B.载体的降解速率C.药物的释放动力学D.载体的美观外观6.生物材料表面改性最主要的目的之一是？A.提高材料的耐磨损性B.改善材料的化学稳定性C.调控材料与生物体的相互作用（如促进细胞粘附或阻止血栓）D.增加材料的导电性7.细胞外基质（ECM）的主要功能之一是？A.作为主要的免疫细胞来源B.为细胞提供结构支撑和传递信号C.直接合成蛋白质D.负责体内物质运输8.下列哪种方法不属于常用的生物材料表面化学改性技术？A.活性离子交换B.喷涂技术C.原位聚合D.等离子体处理9.在设计基因递送载体时，需要考虑的关键因素包括？A.载体的生物相容性、稳定性B.基因的包载效率、保护性C.基因在目标细胞的释放与释放速率D.以上所有10.下列哪项不是生物材料在体内的主要降解方式？A.水解B.氧化C.光解D.化学沉积二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填在横线上）1.生物材料与生物体相互作用的过程涉及界面间的物理、化学和____________变化。2.用于组织工程的三维支架材料应具备良好的____________、____________和可控的孔结构。3.表面自由能较高的材料通常表现出更强的____________倾向。4.____________是评价材料在生物环境中稳定性的重要指标，特别是其抵抗化学和生物侵蚀的能力。5.设计用于药物缓释的生物材料时，需要根据药物的性质选择合适的____________和释放速率。6.模拟细胞外基质成分和结构的____________水凝胶是组织工程中的重要材料。7.____________是指材料植入体内后，引发宿主免疫系统的防御反应的程度。8.通过改变材料表面的化学组成或物理形态，可以调控其与细胞、体液的____________。9.纳米材料因其独特的____________和表面效应，在生物医学工程中展现出巨大的应用潜力。10.生物材料设计的根本目标是实现材料性能与生物需求的____________。三、名词解释（每题3分，共15分。请用简洁的语言解释下列名词）1.生物相容性2.仿生设计3.水凝胶4.药物缓释5.表面改性四、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述生物材料生物安全性的评价流程通常包含哪些关键环节。2.为什么说材料表面的化学组成和物理拓扑结构对生物材料的性能至关重要？3.简述设计组织工程支架材料时，需要重点考虑的三个核心要素。4.简述物理化学方法在生物材料表面改性中的应用及其原理。五、论述题（每题10分，共30分。请围绕下列主题展开论述）1.论述仿生思想在生物材料设计中的应用，并举例说明其在解决实际问题中的作用。2.结合分子层面的机制，论述材料表面化学改性如何调控细胞行为（如粘附、增殖、分化）。3.面对日益严峻的感染问题和植入物相关并发症，论述生物材料表面抗菌设计策略的必要性和几种主要方法。---试卷答案一、选择题1.D2.B3.B4.C5.D6.C7.B8.B9.D10.C二、填空题1.生物2.生物相容性；力学性能3.亲水性4.化学稳定性5.载体材料；释放曲线6.结构仿生7.生物相容性8.相互作用9.尺寸效应10.匹配三、名词解释1.生物相容性：指生物材料植入或与生物体接触时，能够引起宿主组织、细胞发生一系列特定的、可预测的、非免疫原性的或免疫原性轻微的生理反应，且材料本身不发生不可逆的劣变或降解。2.仿生设计：指模仿生物系统（如生物材料、结构、功能、过程）的原理和机制，来设计具有类似性能的新型人工材料或系统。3.水凝胶：是一种具有高度吸水性的网状聚合物材料，其体积可溶胀至几十倍甚至上千倍，形成类似天然组织的凝胶状状态。4.药物缓释：指将药物包载于生物材料载体中，使其在特定部位或体内特定时间以缓慢、恒定或程序化的速率释放，以达到延长疗效、提高安全性、减少给药次数等目的的技术。5.表面改性：指通过物理、化学或物理化学方法，改变生物材料表面的化学组成、微观结构或表面能，以改善其特定性能或赋予其新功能的过程。四、简答题1.评价生物材料生物安全性的流程通常包含：①体外细胞毒性测试（如L929细胞法）；②体外遗传毒性测试；③体外刺激性/致敏性测试（如皮肤刺激法）；④体内急性毒性测试（如小鼠静脉注射法）；⑤体内长期毒性测试（如大鼠皮下植入或长期观察）；⑥（若需）局部耐受性测试；⑦临床前安全性评价报告的撰写。2.材料表面是生物材料与生物体直接接触的界面，其化学组成（如元素种类、官能团）和物理拓扑结构（如粗糙度、孔径、孔隙率）直接决定了材料与周围生物环境（细胞、体液）的相互作用方式。化学组成影响表面电荷、亲疏水性、生物活性分子吸附能力等，进而影响细胞粘附、增殖、分化、迁移及免疫反应等行为；物理拓扑结构影响细胞形态、力学感受以及营养物质和代谢产物的传输，同样对细胞行为产生关键性调控作用。因此，表面特性是决定生物材料整体生物功能的关键因素。3.设计组织工程支架材料时，需要重点考虑的核心要素：①生物相容性：材料必须能被机体安全接受，不引起强烈的免疫排斥或毒副作用；②生物可降解性：材料应能在体内逐渐降解，最终被吸收或排出，避免永久性异物残留，其降解速率应与组织再生速率相匹配；③力学性能：材料应具备一定的力学强度和刚度，能提供必要的物理支撑，维持植入部位的稳定，并随着组织再生逐渐传递载荷给新生组织。4.物理化学方法在生物材料表面改性中的应用及其原理：①等离子体处理：利用低温柔性等离子体（辉光放电）轰击材料表面，通过刻蚀、沉积、接枝等过程改变表面化学组成（引入含氧官能团、接枝生物活性分子）和物理形态（增加粗糙度），原理是高能粒子与表面物质相互作用；②化学气相沉积（CVD）/原子层沉积（ALD）：通过气相化学反应在材料表面沉积薄膜，可精确控制膜层成分和厚度，原理是前驱体气体在表面发生化学反应生成固态薄膜；③溶胶-凝胶法：利用金属醇盐等前驱体在溶液中水解、缩聚形成溶胶，再经过干燥、固化得到凝胶薄膜，涂覆于基材表面，原理是溶液化学过程在固液界面进行并生长；④表面接枝/涂覆：利用物理吸附（如UV固化）、化学反应（如点击化学）或物理缠绕等方法，将带有特定功能基团的大分子（如聚合物、多肽）固定在材料表面，原理是利用分子间作用力或化学键合实现功能分子与基材的连接。五、论述题1.仿生思想在生物材料设计中的应用广泛，其核心在于借鉴自然界经过亿万年进化优化的高效、智能、可持续的结构和功能体系。例如，模仿贝壳的双层结构设计具有高强度的生物可降解复合材料；模仿蜘蛛丝的韧性设计高强度生物可降解纤维；模仿荷叶的自清洁表面（超疏水）设计具有抗菌、抗污的植入材料和医疗器械表面；模仿细胞外基质的结构和降解行为设计用于组织工程的三维支架，以引导细胞粘附、增殖、分化并最终降解消失；模仿酶的催化功能设计用于生物传感或体内特定生化反应的材料。通过仿生设计，可以获得性能优异、功能特定、环境友好的新型生物材料，有效解决临床医学中的挑战，如组织修复、药物递送、感染控制等。2.材料表面化学改性通过精确调控材料表面的化学组成和微观结构，可以显著影响其与生物环境的相互作用，从而有效调控细胞行为。首先，通过表面接枝或涂层引入特定的官能团（如羧基、氨基、羟基、巯基等），可以改变表面的电荷状态，从而影响细胞粘附的第一步——细胞与材料的初始接触和粘附强度。例如，带负电荷的表面通常促进带正电荷的细胞粘附。其次，引入生物活性分子（如细胞因子、生长因子、多肽配体、抗生素等），可以直接作用于细胞表面的受体，触发特定的细胞信号通路，引导细胞向期望的分化方向增殖、迁移或分泌基质。例如，RGD序列可以特异性结合整合素，促进成纤维细胞或成骨细胞粘附和分化。此外，表面化学改性还可以调节材料的亲疏水性，影响细胞形态（如扁平化或纺锤状）、迁移能力以及细胞外基质的沉积。通过这些分子层面的调控，可以实现细胞行为的精确设计，满足组织工程、药物递送、植入器械等不同应用的需求。3.面对日益严峻的感染问题和植入物相关并发症，生物材料表面抗菌设计策略至关重要，因为它直接作用于感染发生的初始环节——微生物的附着与繁殖。其主要目的在于降低材料表面的生物被膜形成，或抑制已被附着的微生物的生长和扩散，从而预防和控制感染。主要方法包括：①表面化学改性：通过涂覆含抗菌剂（如银离子、季铵盐、氧化铈、抗菌肽等）的涂层，或在材料表面接枝含抗菌基团的聚合物，使材料表面具有持续释放抗菌物质的特性。②表面物理结构设计：通过微纳加工技术（如刻蚀、喷砂、激光纹理化）创造具有超疏水、微孔结构或粗糙表面的拓扑结构，这些结构可以物理阻碍微生物的附着、减少营养物质的渗透以