2025年大学生物医学工程(生物材料学)试题及答案

2025年大学生物医学工程(生物材料学)试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.以下哪种材料属于生物活性陶瓷？A.氧化铝陶瓷B.氧化锆陶瓷C.羟基磷灰石陶瓷D.氮化硅陶瓷2.聚乳酸（PLA）作为可降解生物材料，其降解主要通过：A.酶解反应B.水解反应C.氧化反应D.微生物分解3.评价血液相容性时，最直接的指标是：A.细胞毒性（MTT法）B.溶血率C.成骨细胞增殖率D.炎症因子释放量4.钛合金表面进行微弧氧化处理的主要目的是：A.提高强度B.增加表面粗糙度C.引入生物活性成分（如羟基磷灰石）D.降低弹性模量5.壳聚糖作为天然高分子生物材料，其主要优势是：A.力学强度高B.具有抗菌性和促愈合特性C.降解速率不可调控D.与人体组织无免疫反应6.生物材料的“力学匹配性”主要指：A.材料与宿主组织的密度一致B.材料的弹性模量与宿主组织接近C.材料的硬度高于宿主组织D.材料的断裂韧性低于宿主组织7.以下哪种材料常用于心脏瓣膜置换？A.聚四氟乙烯（PTFE）B.胶原蛋白C.戊二醛交联的牛心包膜D.聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）8.骨组织工程支架的孔隙率通常要求为：A.<30%B.30%50%C.50%80%D.>80%9.生物材料表面亲水性提高后，通常会：A.减少蛋白质吸附B.增加血小板黏附C.促进成骨细胞黏附D.降低细胞相容性10.镁合金作为可降解金属材料，其降解产物主要是：A.Mg²⁺B.Ca²⁺C.Fe³⁺D.Al³⁺二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）1.以下属于生物可降解高分子材料的有：A.聚己内酯（PCL）B.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）C.胶原蛋白D.聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）2.评价生物材料组织相容性的实验方法包括：A.皮下植入实验（观察炎症反应）B.溶血试验C.细胞黏附实验（如扫描电镜观察）D.动态凝血时间检测3.羟基磷灰石（HA）的生物活性表现为：A.与骨组织形成化学键合（骨整合）B.促进成骨细胞分化C.降解产物为Ca²⁺和PO₄³⁻，可参与骨矿化D.具有优异的抗疲劳性能4.生物材料表面改性技术包括：A.等离子体处理（引入官能团）B.电化学沉积（涂覆HA涂层）C.表面接枝（固定生长因子）D.锻造（改变内部晶体结构）5.可降解生物材料在体内的降解速率受以下因素影响：A.材料分子量（分子量越高，降解越慢）B.材料结晶度（结晶度越高，降解越快）C.植入部位的pH值（如骨组织pH≈7.4，炎症部位pH≈56）D.材料表面形态（多孔结构加速降解）三、填空题（每空1分，共15分）1.生物材料的核心要求是生物相容性和功能匹配性。2.金属生物材料中，纯钛的弹性模量约为110GPa，而人体皮质骨的弹性模量约为1030GPa，因此钛合金常通过合金化或多孔结构设计降低模量以实现力学匹配。3.壳聚糖的化学结构中含有大量氨基（NH₂）和羟基（OH），使其具有良好的水溶性（在酸性条件下）和生物活性。4.生物陶瓷可分为生物惰性陶瓷（如氧化铝）和生物活性陶瓷（如羟基磷灰石），后者能与骨组织形成化学键合。5.评价细胞毒性的常用方法是MTT法，其原理是通过检测活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶将MTT还原为蓝紫色甲瓒的量，间接反映细胞活性。6.可降解高分子材料的降解分为表面降解（如聚乙醇酸PGA）和本体降解（如聚乳酸PLA）两种模式，前者降解速率主要受表面积影响，后者受材料内部水解速率主导。四、简答题（每题8分，共40分）1.简述生物材料“血液相容性”的定义及主要评价指标。答案：血液相容性指生物材料与血液接触时不引起凝血、溶血或血小板异常激活的能力。主要评价指标包括：①溶血率（需≤5%）；②动态凝血时间（CT，反映凝血系统激活程度）；③血小板黏附与活化（扫描电镜观察形态变化或检测血小板因子释放）；④血浆中纤维蛋白原吸附量（与凝血级联反应启动相关）。2.比较聚乳酸（PLA）与聚己内酯（PCL）的降解特性及应用场景。答案：PLA的降解速率较快（体内612个月完全降解），因其分子链中酯键密度高，易水解；PCL降解速率较慢（体内23年），因分子链柔性大、结晶度高（约50%），阻碍水解。应用上，PLA适用于短期修复（如可吸收缝合线、骨折固定钉）；PCL适用于长期缓慢释放药物载体或需要维持结构的组织工程支架（如软骨修复）。3.说明钛合金表面羟基磷灰石涂层的制备方法（至少2种）及其作用。答案：制备方法：①等离子喷涂（将HA粉末加热至熔融态喷射到钛表面，形成多孔涂层）；②电化学沉积（在含Ca²⁺、PO₄³⁻的电解液中，通过外加电场使HA沉积于钛表面）。作用：①提高表面生物活性，促进骨组织与植入体的化学键合（骨整合）；②作为屏障减少钛离子释放，降低长期毒性风险；③多孔结构利于成骨细胞黏附与增殖。4.简述生物材料“动态降解组织再生匹配”的设计原则。答案：设计时需确保材料降解速率与组织再生速率同步：①早期（13个月）材料需保持足够力学强度，支撑新生组织；②中期（36个月）材料开始缓慢降解，释放空间供细胞外基质沉积；③后期（612个月）材料完全降解，新生组织（如骨、软骨）已具备独立力学性能。若降解过快（如PLA分子量过低），会导致力学支撑不足；若过慢（如高结晶度PCL），可能阻碍组织长入并引发慢性炎症。5.开放型问题：请结合临床需求，提出一种用于糖尿病足溃疡修复的生物材料设计思路（需包含材料类型、关键性能及改性策略）。答案：设计思路：采用壳聚糖胶原蛋白复合水凝胶作为创面敷料。材料类型：天然高分子复合材料（壳聚糖抗菌，胶原蛋白促细胞黏附）。关键性能：①高吸水性（吸收创面渗液，维持湿润环境）；②可控降解（24周内逐步降解，避免频繁换药）；③抗菌性（抑制金黄色葡萄球菌等感染）；④促进血管生成（释放VEGF等生长因子）。改性策略：①引入银纳米颗粒（增强抗菌性）；②通过戊二醛轻度交联（调节降解速率）；③共价接枝VEGF（实现生长因子缓释）；④表面修饰RGD肽（促进成纤维细胞黏附）。五、计算与分析题（每题10分，共20分）1.某PLA样品初始分子量为100kDa，植入体内3个月后分子量降至60kDa，6个月后降至36kDa。假设其降解符合一级动力学模型（ln(M₀/Mₜ)=kt），计算：（1）降解速率常数k（单位：月⁻¹）；（2）该材料完全降解（分子量<5kDa）所需时间（M₀=100kDa，ln(20)=3.0）。答案：（1）根据一级动力学模型，取t=3个月时，M₀=100kDa，M₃=60kDa：ln(100/60)=k×3→ln(5/3)=3k→k≈(0.5108)/3≈0.1703月⁻¹验证t=6个月时：ln(100/36)=0.1703×6→ln(25/9)=1.0218≈1.0217（吻合）（2）当Mₜ=5kDa时，ln(100/5)=0.1703×t→ln(20)=0.1703×t→t≈3.0/0.1703≈17.6个月（约18个月）。2.某骨钉用钛合金（弹性模量E=110GPa）表面涂覆HA涂层（E=110GPa），植入后骨组织（E=20GPa）与涂层界面处产生应力集中。结合“力学梯度设计”原理，分析可能出现的问题及改进策略。答案：问题：钛合金（110GPa）与HA涂层（110GPa）模量相近，但远高于骨组织（20GPa），界面处模量突变会导致应力集中，可能引发涂层脱落或骨吸收（应力屏蔽）。改进策略：采用梯度涂层设计，即从钛合金基底到表层，HA与弹性高分子（如PLGA，E=13GPa）的比例逐渐变化，形成模量梯度（如基底侧HA:PLGA=9:1，表层侧HA:PLGA=1:9），使界面模量从110GPa逐步降至20GPa，减少应力集中；或在钛合金表面制备多孔结构（孔隙率30%50%），降低基底模量至3050GPa，缩小与HA及骨组织的模量差。六、综合论述题（20分）结合“生物材料宿主相互作用”理论，论述种植牙根（钛合金）的表面设计策略（需涵盖生物相容性、力学匹配、促骨整合机制及长期稳定性）。答案：种植牙根的表面设计需综合考虑以下四方面：1.生物相容性优化：钛合金本身具有良好的血液和组织相容性（表面自然氧化层TiO₂稳定），但需通过改性减少金属离子释放。策略包括：①微弧氧化处理，在表面形成厚约1020μm的多孔TiO₂层，增加表面积并吸附钙磷离子；②等离子体处理引入羟基（OH）或氨基（NH₂），提高亲水性（接触角<30°），促进蛋白质（如纤维连接蛋白）有序吸附，引导成骨细胞黏附。2.力学匹配设计：钛合金模量（110GPa）远高于皮质骨（1030GPa），易引发应力屏蔽（骨组织因受力减少而吸收）。改进方法：①制备多孔钛（孔隙率50%70%），将模量降至1030GPa，与骨组织匹配；②采用钛羟基磷灰石复合涂层，HA（模量110GPa）与骨组织（20GPa）直接接触仍存在差异，因此需设计梯度涂层（如HA与PLGA共混，从钛基底到表层PLGA比例增加），实现模量逐步过渡。3.促骨整合机制：骨整合的核心是植入体与骨组织的直接化学键合。表面设计需促进成骨细胞分化和矿化：①纳米拓扑结构（如50200nm的纳米颗粒或沟槽），通过整合素介导的信号通路（FAK、ERK磷酸化）激活成骨相关基因（如Runx2、OCN）；②负载生物活性因子（如BMP2），通过微球包埋实现缓释（持续释放48周），诱导间充质干细胞向成骨细胞分化；③表面矿化预处理（如模拟体液浸泡），形成类骨磷灰石层，提供Ca²⁺、PO₄³⁻离子，加速矿化沉积。4.长期稳定性保障：长期稳定性需防止涂层脱落和细