2025年大学《生物科学》专业题库-生物材料的仿生设计与合成

2025年大学《生物科学》专业题库——生物材料的仿生设计与合成考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题备选答案中，只有一个是符合题意的，请将正确选项的代表字母填在题干后的括号内。)1.仿生学的研究核心是（）。A.对自然现象进行数学描述B.利用计算机模拟生物过程C.模仿生物系统的结构、功能、原理来设计材料和器件D.研究生物体与环境的相互作用2.在仿生材料设计中，模仿荷叶表面结构制备自清洁材料，主要利用了生物表面的（）特性。A.透明度B.弹性C.微结构/超疏水D.导电性3.下列哪种技术利用生物分子（如酶、核酸）作为催化剂或模板来合成材料？（）A.微流控技术B.3D生物打印C.酶催化合成/生物催化D.喷墨打印4.用于组织工程支架的材料必须具备良好的生物相容性，这主要意味着材料（）。A.具有很高的机械强度B.不会被人体免疫系统排斥，能引发适宜的免疫反应C.降解产物无毒性D.具有与天然组织相似的密度5.仿生血管的设计需要考虑的主要生物功能是（）。A.光合作用B.血液凝固与纤溶平衡C.呼吸作用D.运输营养物质6.自组装技术在仿生材料合成中的主要优势在于（）。A.可以大规模连续生产B.可以在温和条件下（常温常压水溶液）制备复杂结构C.材料性能高度均一D.设备成本相对较低7.模板法合成仿生材料时，选择生物模板的主要依据是（）。A.模板的生物活性B.模板具有所需的目标微观/纳米结构C.模板的机械强度D.模板的来源是否容易获取8.3D生物打印技术在制造具有复杂内部血管网络的组织工程支架方面的主要优势在于（）。A.打印速度快B.可以精确控制材料的空间分布和结构形态C.成本低廉D.可打印多种类型的生物材料9.药物递送系统中的仿生设计，常利用生物体对特定组织的靶向性，例如模仿（）的特性。A.细胞膜的通透性B.血脑屏障的选择性C.肿瘤组织的渗透压D.血液的粘度10.评价一种仿生水凝胶作为细胞培养支架的性能时，以下哪个指标不是关键考察因素？（）A.水合能力（含水量）B.杨氏模量（刚度）C.酶活性D.降解速率二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填写在横线上。)1.仿生设计策略主要包括形态仿生、______仿生、功能仿生和______仿生。2.生物材料必须满足的基本性能要求通常包括生物相容性、______、______和适当的降解性。3.利用层层自组装技术可以构建具有精确______和______的生物材料界面。4.模板法中，生物模板在合成完成后通常需要通过______或______等方式去除。5.仿生骨修复材料的设计需要考虑模仿骨骼的______结构、______结构和力学性能。6.人工模拟生物体血液的______特性是血代用品研究的重要目标之一。7.生物相容性不仅指材料不被排斥，还包括对周围组织或细胞无______、无______的生物学效应。8.基于生物矿化的仿生合成方法，利用生物体内______调控无机材料形貌和结构的原理。三、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。)1.简述自组装技术在合成仿生材料时的基本原理及其优势。2.何谓“生物相容性”？它包含哪些方面的具体要求？3.与传统合成材料相比，仿生生物材料在设计上有哪些独特的考虑因素？4.简述利用生物模板进行仿生材料合成的原理及其潜在优势。四、论述题（每小题10分，共30分。请结合所学知识，全面、深入地回答下列问题。)1.论述仿生设计思想在开发用于药物递送系统的智能响应性材料中的应用潜力与挑战。2.以组织工程支架为例，详细分析仿生学原理是如何指导其材料选择、结构设计及功能实现的。3.选择一种你感兴趣的具体仿生生物材料（如仿生皮肤、人工视网膜、生物燃料电池等），阐述其设计灵感来源、关键制备技术、主要功能特点及其潜在的应用前景和面临的挑战。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.B5.B6.B7.B8.B9.B10.C二、填空题1.结构，功能2.生物学性能（或生物功能），力学性能3.微结构，化学组成4.去除，提取5.宏观，微观/细胞6.粘度/粘弹性7.炎症反应，致癌8.营养/基质/信号分子三、简答题1.自组装技术是指利用分子间相互作用（如氢键、范德华力、静电作用等），在较低能耗下，使分子或超分子自发地、有序地聚集形成特定结构（如胶束、纳米管、超晶格等）的过程。仿生合成中，可利用天然生物分子（如蛋白质、核酸）或模拟生物分子识别作用的设计分子作为构筑模块，通过自组装形成具有特定微观结构（如孔道、层状结构）或功能的材料。其优势在于可在温和条件下（如水溶液、生理环境）制备，结构复杂、可控性强，且可能利用生物体系已有的高效自组装机制。2.生物相容性是指材料植入或接触生物体时，能够与生物体及其环境相互作用，表现出良好适应性，不引起严重的组织损伤、功能障碍或免疫排异反应的性能。它包含多个具体要求：①非毒性（降解产物或未降解材料无细胞毒性、器官毒性）；②免疫兼容性（不引发强烈的免疫排斥反应）；③血管相容性（如用于血管时，不易引发血栓）；④组织相容性（能与周围组织良好结合，不引起过度炎症或异物反应）；⑤适当的力学性能（如用于结构支撑时，应具有足够的强度和刚度，且能与组织匹配）；⑥降解性（如需作为临时支架，应能在体内按预期速率和方式降解，降解产物无毒性）；⑦稳定性（在储存和使用过程中保持性能稳定）。3.仿生生物材料的设计需考虑：①生物功能的模拟：不仅要模仿生物材料的结构，更要模拟其功能，如力学性能、降解行为、生物活性（如促细胞附着、分化）等，以满足特定生物医学应用的需求。②微观/纳米结构的精确控制：生物材料的许多关键功能与其微观或纳米尺度结构密切相关，设计需考虑如何精确复制或构建这些结构。③生物环境的适应性：材料需能在生理环境中稳定工作，并与其他生物分子相互作用。④生物相容性：这是所有生物材料设计的核心要求。⑤生物安全性：材料及其降解产物必须对生物体安全。⑥可调控性：设计应能根据具体需求调整材料的组成、结构和性能。4.利用生物模板进行仿生合成是指利用具有特定形状、孔隙结构或化学组成的天然生物结构（如细胞、病毒、花粉、贝壳、骨骼等）作为“模具”或“模板”，在其表面或内部引导合成目标材料，从而获得具有类似生物模板结构的仿生材料。其原理是利用生物模板提供的空间约束、结构引导或化学反应位点，使合成材料按照模板的形态、尺寸、分布或组成进行生长。潜在优势在于能够简易、高效地制备出具有复杂三维结构、精细表面特征或特定组成的材料，这些结构往往是难以通过传统方法获得的，且可能利用生物体系在温和条件下自组装的智慧。四、论述题1.仿生设计思想在开发用于药物递送系统的智能响应性材料中具有巨大潜力。生物体本身具有复杂的智能响应机制（如对pH、温度、酶、特定细胞外信号等的响应），仿生这些机制可以设计出能够感知微环境变化并智能释放药物的载体。例如，模仿细胞内吞作用设计纳米载体，在特定生理环境（如肿瘤组织的低pH、高谷胱甘肽浓度）或响应外部刺激（如近红外光、超声）时实现药物的精确释放，从而提高疗效、降低副作用。挑战在于：①精确模拟生物过程的复杂性难度大；②实现多种内外刺激的精确、可调控的响应；③确保载体在循环过程中的稳定性和在靶点的响应特异性；④避免免疫系统的识别和清除；⑤大规模制备和体内应用的可行性及安全性。2.仿生学原理在组织工程支架的设计中起着核心指导作用。首先，在材料选择上，需模仿天然组织的组成和成分，如使用天然高分子（胶原、明胶、壳聚糖等）或其衍生物，或设计具有生物相容性、可降解的合成高分子（如PLGA、PCL等）。其次，在结构设计上，需模仿天然组织的微观/纳米结构，如细胞外基质的网络结构、孔隙结构（孔径、孔连通性），以利于细胞的粘附、增殖、迁移、分化和形成组织。例如，利用3D打印、盐模板法等构建具有特定宏观形状和精细内部结构的支架。再次，在功能实现上，支架需提供适当的力学支撑（模仿组织刚度），具备良好的生物相容性（避免免疫排斥和炎症），并能在体内按需降解（使新生组织替代支架）。此外，还可进一步整合仿生学原理，如利用细胞共培养模拟组织内不同细胞间的相互作用，或利用生物活性因子（如生长因子）仿生信号引导组织再生。3.（示例：仿生皮肤）设计灵感来源：天然皮肤作为人体最大的器官，具有多层结构（表皮、真皮、皮下组织），具备感知触觉、温度等外部刺激的功能，并具有自修复能力。仿生皮肤旨在模拟这些结构、功能和性能。关键制备技术：通常采用水凝胶技术（如离子凝胶、聚合物网络）构建类表皮层，利用3D打印或静电纺丝技术制备具有梯度孔隙率或多层结构的类真皮层，可能结合微纳纤维、孔洞结构等增加机械强度和血管化潜力。材料选择上常使用透明质酸、胶原、壳聚糖、硅橡胶等。也可嵌入功能性成分，如神经递质、药物、细胞等。主要功能特点：具有分层结构，模拟表皮的屏障保护和感觉功能，以及真皮的机械支撑和营养传输功能；具备一