2025年增材制造装备在生物组织工程的研究考核试卷及答案

2025年增材制造装备在生物组织工程的研究考核试卷及答案2025年增材制造装备在生物组织工程的研究考核试卷一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.以下哪项是增材制造装备在生物组织工程中最核心的技术目标？A.提高打印速度B.实现生物活性结构的精准构建C.降低设备成本D.扩大打印尺寸范围2.生物3D打印中，“生物墨水”的主要成分通常不包括：A.天然高分子（如海藻酸钠）B.合成高分子（如聚己内酯）C.无机陶瓷（如羟基磷灰石）D.有机溶剂（如二甲基亚砜）3.光固化式生物3D打印机的关键技术瓶颈是：A.材料需具备光敏性，可能影响细胞活性B.无法打印高粘度材料C.设备成本过高D.打印层厚不可调节4.用于骨组织工程的增材制造支架，其孔隙率通常要求达到：A.10%20%B.30%40%C.50%70%D.80%95%5.以下哪种增材制造工艺更适合打印含活细胞的复杂血管结构？A.熔融沉积成型（FDM）B.立体光固化（SLA）C.生物喷墨打印（BIJ）D.粉末烧结（SLS）6.评价生物支架“生物相容性”的核心指标是：A.支架的机械强度B.细胞在支架表面的黏附、增殖和分化能力C.支架的降解速率D.支架的孔隙连通性7.增材制造装备中，“多喷头系统”的主要功能是：A.提高打印效率B.同时打印不同材料或细胞类型C.降低喷头堵塞概率D.优化打印路径规划8.以下哪项是制约增材制造组织工程器官临床应用的关键问题？A.打印精度不足B.血管网络的有效构建C.设备操作复杂D.材料成本过高9.用于软骨组织工程的增材制造支架，需重点匹配的力学性能是：A.抗压强度B.拉伸强度C.剪切模量D.断裂韧性10.增材制造装备在生物组织工程中的发展趋势不包括：A.多尺度（微观宏观）结构一体化打印B.实时生物活性监测与反馈调控C.单一材料打印技术的深度优化D.与生物反应器的集成化设计二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，少选、错选均不得分）1.增材制造装备在生物组织工程中需满足的特殊要求包括：A.打印过程中保持细胞活性（存活率＞85%）B.支架结构需具备可控的降解速率C.设备需支持无菌环境操作D.打印材料需完全避免交联剂2.以下属于“生物3D打印”与“传统组织工程支架制造”主要区别的是：A.可实现复杂三维结构的精准控制B.能直接封装活细胞构建“细胞材料”复合体C.支架孔隙率更高D.可调控支架内部梯度化成分分布3.挤出式生物3D打印机的关键性能参数包括：A.喷头直径（影响分辨率）B.挤出压力（影响材料均匀性）C.打印速度（影响细胞受力）D.光源波长（影响光固化效果）4.用于血管组织工程的增材制造支架需具备的特性有：A.与血管壁匹配的力学性能（如顺应性）B.表面促进内皮细胞黏附的功能化修饰C.快速降解以避免长期免疫反应D.连通的微通道网络（直径50500μm）5.增材制造装备在生物组织工程中面临的挑战包括：A.多材料界面结合强度不足B.大规模生产时的一致性控制C.长时打印过程中细胞活性维持D.支架结构与宿主组织的整合效率低三、填空题（共10题，每空1分，共15分）1.生物3D打印的核心三要素是________、________和________。2.光固化生物打印常用的光源类型为________和________。3.骨组织工程支架的关键参数包括________、________和________（至少答3项）。4.活细胞打印时，生物墨水的剪切模量通常需控制在________范围以平衡可打印性与细胞保护。5.增材制造装备中，“同轴喷头”的主要功能是________。6.评价支架“血管化能力”的金标准是________。四、简答题（共4题，共30分）1.（8分）简述挤出式生物3D打印机的工作原理，并说明其适用于生物组织工程的优势与局限性。2.（7分）为什么增材制造装备在构建“梯度化组织”（如骨软骨界面）中具有不可替代性？请结合梯度结构的关键特征说明。3.（8分）设计一项实验，验证增材制造支架的“细胞相容性”。需明确实验材料、主要步骤及评价指标。4.（7分）当前增材制造装备在打印“大尺寸组织工程器官”时面临哪些技术瓶颈？请从材料、装备、生物学三个维度分析。五、综合应用题（共2题，共20分）1.（10分）某研究团队计划利用增材制造装备构建“具有功能性血管网络的肝脏组织”。请结合以下信息设计技术方案：目标：模拟肝脏小叶结构（包含肝细胞、肝窦内皮细胞及Kupffer细胞）；可用装备：光固化3D打印机（精度20μm）、双喷头挤出式打印机（支持温度控制2540℃）；可用材料：明胶甲基丙烯酰（GelMA，光固化型）、海藻酸钠（离子交联型）、肝细胞培养基。要求：说明装备选择依据、材料组合策略、打印参数（如温度、光照时间）及后处理步骤（如交联、细胞接种）。2.（10分）阅读以下案例并回答问题：某实验室使用挤出式打印机打印含成骨细胞的PLGA/羟基磷灰石复合支架，用于骨缺损修复。术后3个月检测发现：支架部分区域细胞坏死，新生骨组织仅分布于支架边缘。（1）分析可能的原因（至少3点）；（2）提出优化方案（需结合增材制造装备参数或材料改性）。答案及解析一、单项选择题1.B（生物组织工程的核心是构建具有生物活性的功能结构，其他为辅助目标）2.D（生物墨水需生物相容，有机溶剂通常有毒性）3.A（光敏剂或紫外光可能损伤细胞，是光固化技术的主要限制）4.C（骨组织需要孔隙率50%70%以支持血管长入和细胞迁移）5.C（生物喷墨打印分辨率高，适合打印细胞悬液构建血管精细结构）6.B（生物相容性直接反映细胞与材料的相互作用）7.B（多喷头可同时打印不同材料或细胞，实现复合结构）8.B（血管化不足导致组织中心缺血坏死，是临床应用的核心障碍）9.C（软骨主要承受剪切力，需匹配剪切模量）10.C（单一材料优化已非趋势，多材料、多功能集成是方向）二、多项选择题1.ABC（交联剂在可控条件下可使用，如离子交联的海藻酸钠）2.ABD（传统方法也可实现高孔隙率，如冷冻干燥法）3.ABC（光源波长是光固化设备的参数，与挤出式无关）4.ABD（血管支架需适度降解，而非快速降解）5.ABCD（均为当前研究中的主要挑战）三、填空题1.生物墨水、增材制造装备、工艺参数2.紫外光（365405nm）、可见光（450500nm）3.孔隙率（50%70%）、孔径（100500μm）、连通性（＞90%）、力学强度（与骨匹配）4.1001000Pa（过低易塌陷，过高损伤细胞）5.同时挤出两种材料（如核心为细胞悬液，外层为支撑材料）6.支架内形成与宿主血管连通的功能性毛细血管网络（通过荧光显微镜或MicroCT观测）四、简答题1.（8分）工作原理：通过精密泵（如柱塞泵、螺杆泵）将生物墨水（高粘度水凝胶或细胞悬液）从喷头挤出，按照预设路径逐层堆积，形成三维结构。优势：适用材料广（高/低粘度）、可封装高浓度细胞（10⁶10⁸cells/mL）、设备成本较低。局限性：分辨率较低（通常100500μm）、挤出压力可能损伤细胞（需控制剪切速率＜1000s⁻¹）、难以打印复杂悬空结构（需支撑材料）。2.（7分）梯度化组织（如骨软骨界面）的关键特征是成分、结构、力学性能的连续变化（如软骨区富含胶原，骨区含羟基磷灰石；软骨区孔隙率低、骨区孔隙率高；软骨区模量低、骨区模量大）。传统制造技术（如冷冻干燥、盐析法）难以精准控制多区域的梯度分布；而增材制造装备可通过多喷头系统或参数调控（如改变材料配比、层厚、打印速度），逐层实现成分（如从GelMA到PLGA/HA）、孔隙率（从20%到60%）、力学性能（从0.1MPa到100MPa）的连续梯度，因此具有不可替代性。3.（8分）实验设计：材料：增材制造支架（如PLGA/胶原复合支架）、L929成纤维细胞（或目标细胞如成骨细胞）、DMEM培养基、CCK8试剂盒、扫描电镜（SEM）、荧光显微镜。步骤：①支架预处理：灭菌（紫外照射+乙醇浸泡）、PBS清洗；②细胞接种：将1×10⁵cells/mL的细胞悬液滴加于支架表面，37℃、5%CO₂培养2h后补充培养基；③培养7天，期间每2天换液；④检测：增殖：CCK8法检测第1、3、7天的吸光度（OD值）；黏附：SEM观察细胞在支架表面的铺展形态（如伪足延伸）；活性：CalceinAM/PI双染，荧光显微镜统计活细胞比例（＞85%为合格）。评价指标：细胞增殖率（OD7/OD1＞2）、活细胞率（＞85%）、细胞铺展面积（＞1000μm²）。4.（7分）技术瓶颈：材料维度：大尺寸支架需内部均匀的营养渗透，但现有生物墨水（如水凝胶）的扩散系数低（＜10⁻⁶cm²/s），中心区域易缺血；同时，材料的力学强度与降解速率需匹配组织生长，大尺寸下调控难度增加。装备维度：长时打印（＞6h）中，装备的温度稳定性（需维持37℃）、运动精度（避免累积误差）、喷头一致性（多喷头同步挤出）难以保证；此外，大尺寸结构的支撑材料去除困难（如明胶支撑需37℃溶解，可能破坏已打印结构）。生物学维度：大尺寸组织中心细胞因缺氧/缺营养易坏死（氧扩散距离＜200μm），需同步构建血管网络，但现有装备的分辨率（通常＞50μm）难以打印直径＜50μm的毛细血管；同时，多种细胞（如内皮细胞、成纤维细胞）的共打印比例与空间分布调控复杂。五、综合应用题1.（10分）技术方案：装备选择：优先使用双喷头挤出式打印机（支持温度控制），因肝脏组织需37℃维持细胞活性，且需同时打印两种材料（GelMA和海藻酸钠）；光固化打印机用于精细结构（如肝窦）的补充打印。材料组合：主材料：GelMA（光固化型，提供力学支撑，可修饰RGD肽促进肝细胞黏附）；辅助材料：海藻酸钠（离子交联型，与CaCl₂交联后形成软凝胶，用于包裹肝窦内皮细胞，模拟肝窦微环境）；细胞负载：肝细胞（负载于GelMA）、肝窦内皮细胞（负载于海藻酸钠）、Kupffer细胞（混合于两种材料中，比例1:10:1）。打印参数：温度：37℃（维持细胞活性）；喷头直径：150μm（平衡分辨率与细胞保护，避免剪切损伤）；挤出压力：50100kPa（控制流速15μL/min，剪切速率＜500s⁻¹）；光固化参数（GelMA区域）：405nm可见光，光照强度5mW/cm²，每层曝光时间10s（避免光毒性）。后处理步骤：①离子交联：打印完成后，将支架浸入50mMCaCl₂溶液10min，固化海藻酸钠部分；②细胞培养：转移至生物反应器（动态灌注培养），流速0.1mL/min（模拟血流，促进营养渗透）；③功能验证：培养7天后，检测白蛋白分泌量（＞50μg/10⁶cells/day）、尿素合成能力（＞0.5mM/day）及血管标志物（如CD31免疫荧光染色）。2.（10分）（1）可能原因：①支架内部孔隙率/连通性不足（如孔径＜100μm），导致营养/氧气无法渗透至中心区域，细胞缺血坏死；②打印参数不当（如挤出压力过高），造成部分区域细胞机械损伤（存活率＜80%）；③材料降解速率过快（PLGA分子量过低），支架提前崩解，无法维持结构完整性；④细胞接种不均匀（仅分布于表面），中心区域缺乏种子细胞。（2）优化方案：①装备参数调整：降低挤出压力（从100kPa降至50kPa），减小喷头直径（从200μm降至150μm），提高支架孔隙率（从60%增至70%）和孔径（从150μm增