2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子設(shè)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)器械研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.分子設(shè)計(jì)在生物醫(yī)學(xué)器械中主要目的不包含以下哪一項(xiàng)？A.提高器械的生物相容性B.增強(qiáng)器械的力學(xué)性能C.實(shí)現(xiàn)器械功能的精確調(diào)控D.降低器械的生產(chǎn)成本2.在生物醫(yī)用材料表面進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，以下哪項(xiàng)策略主要目的是減少血液接觸時(shí)的血栓形成？A.引入親水性基團(tuán)B.增加表面負(fù)電荷密度C.設(shè)計(jì)特異性蛋白質(zhì)吸附層D.構(gòu)建超疏水表面3.用于藥物遞送的聚合物納米載體進(jìn)行分子設(shè)計(jì)時(shí)，以下哪個(gè)因素通常不是優(yōu)先考慮的關(guān)鍵參數(shù)？A.納米粒子的尺寸分布B.藥物的負(fù)載和釋放速率C.納米粒子在體內(nèi)的降解產(chǎn)物毒性D.納米粒子對(duì)特定腫瘤細(xì)胞的免疫原性4.以下哪種分子設(shè)計(jì)方法主要依賴于計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算來預(yù)測(cè)和優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)？A.基于經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)式設(shè)計(jì)B.高通量篩選實(shí)驗(yàn)C.分子動(dòng)力學(xué)模擬D.逆向設(shè)計(jì)5.對(duì)于需要與生物組織長(zhǎng)期穩(wěn)定結(jié)合的植入式生物醫(yī)學(xué)器械，分子設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注材料的：A.短期降解速率B.長(zhǎng)期生物穩(wěn)定性和組織整合能力C.電磁兼容性D.制造工藝的復(fù)雜性6.CRISPR-Cas9系統(tǒng)在基因治療相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)器械設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，其核心的分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在于：A.對(duì)生物大分子進(jìn)行化學(xué)修飾以改變其功能B.利用小分子抑制劑調(diào)節(jié)基因表達(dá)C.設(shè)計(jì)能夠特異性識(shí)別目標(biāo)DNA序列的引導(dǎo)RNA（gRNA）D.構(gòu)建能夠自我復(fù)制的RNA病毒載體7.分子自組裝技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)器械表面改性中具有重要應(yīng)用，其主要優(yōu)勢(shì)在于：A.可以大規(guī)模、低成本地制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)B.能夠形成均勻、穩(wěn)定的分子層C.極強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性D.完全不可控的隨機(jī)聚集行為8.設(shè)計(jì)用于組織工程支架材料時(shí)，分子層面的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮以下哪個(gè)因素以引導(dǎo)細(xì)胞行為？A.材料的X射線不透過性B.材料表面的化學(xué)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如親疏水性、微孔結(jié)構(gòu)）C.材料的熔點(diǎn)D.材料的密度9.在分子設(shè)計(jì)生物相容性材料時(shí)，避免引起宿主免疫排斥反應(yīng)的關(guān)鍵在于：A.使用成本最低的原料B.確保材料表面不存在可被免疫系統(tǒng)識(shí)別的抗原決定簇C.設(shè)計(jì)具有高硬度的材料結(jié)構(gòu)D.增加材料的表面粗糙度10.以下哪項(xiàng)技術(shù)或策略不屬于分子設(shè)計(jì)范疇，而是屬于基于分子識(shí)別的檢測(cè)方法？A.設(shè)計(jì)具有特定結(jié)合口袋的抗體用于靶向藥物遞送B.利用適配體（Aptamer）分子識(shí)別特定生物分子C.通過分子模擬預(yù)測(cè)藥物與靶點(diǎn)蛋白的結(jié)合能D.設(shè)計(jì)能夠與特定腫瘤細(xì)胞表面標(biāo)記物結(jié)合的納米機(jī)器人二、名詞解釋（每小題3分，共15分。請(qǐng)給出每個(gè)名詞的簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的定義。）1.分子識(shí)別（MolecularRecognition）2.生物相容性（Biocompatibility）3.藥物遞送系統(tǒng)（DrugDeliverySystem,DDS）4.分子模擬（MolecularSimulation）5.逆向設(shè)計(jì)（InverseDesign）三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)在改善生物醫(yī)用材料表面生物相容性方面至少三種不同的策略。2.分子自組裝在構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)器械（如傳感器、微反應(yīng)器）中具有哪些潛在應(yīng)用價(jià)值？3.為什么分子模擬技術(shù)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)器械的早期設(shè)計(jì)階段具有重要指導(dǎo)意義？4.在設(shè)計(jì)用于體內(nèi)監(jiān)測(cè)的分子探針時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵的分子設(shè)計(jì)要素？四、論述題（每小題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合具體實(shí)例或原理，深入分析和闡述下列問題。）1.詳細(xì)論述分子設(shè)計(jì)如何影響聚合物基生物醫(yī)用材料在體內(nèi)的降解行為和宿主響應(yīng)過程。2.闡述利用分子設(shè)計(jì)策略開發(fā)針對(duì)特定疾病（如癌癥）的靶向藥物遞送系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案。3.結(jié)合一個(gè)具體的生物醫(yī)學(xué)器械實(shí)例（如人工心臟瓣膜、藥物洗脫支架），分析分子設(shè)計(jì)在提升其性能和功能方面發(fā)揮了哪些關(guān)鍵作用。---試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.C5.B6.C7.B8.B9.B10.D二、名詞解釋1.分子識(shí)別（MolecularRecognition）：指分子間（如大分子與小子化合物，或大分子與大分子之間）通過非共價(jià)鍵相互作用的特異性結(jié)合過程，形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合物。2.生物相容性（Biocompatibility）：指材料與生物體接觸時(shí)，能夠維持生理穩(wěn)定、不引起不良局部或全身反應(yīng)（如毒性、刺激、致敏、致癌等），并能完成預(yù)期功能的特性。3.藥物遞送系統(tǒng)（DrugDeliverySystem,DDS）：指能夠?qū)⑺幬锇搭A(yù)定劑量、速率和部位，在預(yù)定時(shí)間或時(shí)間內(nèi)遞送到靶部位，以提高藥物療效、降低毒副作用的系統(tǒng)或裝置，常涉及分子設(shè)計(jì)。4.分子模擬（MolecularSimulation）：利用計(jì)算機(jī)數(shù)值方法，基于分子間相互作用力場(chǎng)或量子力學(xué)原理，模擬分子體系的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)行為和熱力學(xué)性質(zhì)的理論計(jì)算技術(shù)。5.逆向設(shè)計(jì)（InverseDesign）：相對(duì)于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)（基于已知分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)性質(zhì)），逆向設(shè)計(jì)是指根據(jù)所需的材料或分子性質(zhì)，通過計(jì)算篩選或理論計(jì)算，反推或設(shè)計(jì)出具有這些性質(zhì)的結(jié)構(gòu)或分子的過程。三、簡(jiǎn)答題1.分子設(shè)計(jì)在改善生物醫(yī)用材料表面生物相容性方面至少三種不同的策略：*引入特定功能基團(tuán)：通過表面接枝或共聚，引入親水基團(tuán)（如羥基、羧基）增加材料親水性，減少蛋白質(zhì)吸附和纖維化；或引入疏水基團(tuán)形成超疏水表面，減少生物污染。*調(diào)控表面化學(xué)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)具有特定化學(xué)梯度或微納米圖案（如柱狀、孔狀結(jié)構(gòu)）的表面，引導(dǎo)細(xì)胞定向吸附、生長(zhǎng)和分化，模擬天然組織界面。*構(gòu)建特異性識(shí)別層：利用適配體（Aptamer）或抗體等生物分子作為分子探針固定在材料表面，特異性結(jié)合靶細(xì)胞或分子（如血小板、炎癥因子），調(diào)節(jié)細(xì)胞粘附和信號(hào)傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)抗血栓或抗炎效果。2.分子自組裝在構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)器械（如傳感器、微反應(yīng)器）中具有哪些潛在應(yīng)用價(jià)值？*構(gòu)建微型傳感器：利用自組裝形成的有序分子陣列或超分子結(jié)構(gòu)作為傳感界面，高靈敏度、高選擇性檢測(cè)生物分子（如疾病標(biāo)志物、代謝物）或環(huán)境信號(hào)（如pH、溫度）。*制備微流控通道或反應(yīng)器：通過自組裝方法構(gòu)建精確的微尺度結(jié)構(gòu)，用于生物樣品處理、細(xì)胞分選、微型化合成反應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)高效、快速的生物醫(yī)學(xué)分析或制造。*形成功能化界面：自組裝膜或?qū)涌梢孕揎椘餍当砻?，改善生物相容性、防止生物污染、或?gòu)建特定的催化界面，例如用于酶促反應(yīng)或電化學(xué)分析。3.為什么分子模擬技術(shù)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)器械的早期設(shè)計(jì)階段具有重要指導(dǎo)意義？*降低研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)：在進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)合成和測(cè)試前，通過模擬可以快速評(píng)估大量分子的設(shè)計(jì)構(gòu)想及其理化性質(zhì)和生物相互作用，篩選出最有潛力的候選分子，節(jié)省資源。*加速設(shè)計(jì)進(jìn)程：分子模擬能夠探索實(shí)驗(yàn)難以觸及的構(gòu)象空間和反應(yīng)路徑，預(yù)測(cè)分子行為，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成方向，顯著縮短從概念到原型的時(shí)間。*揭示微觀機(jī)制：能夠在原子或分子尺度上模擬生物醫(yī)學(xué)器械與生物體相互作用的過程（如材料降解、細(xì)胞粘附、藥物釋放、信號(hào)傳導(dǎo)），幫助理解宏觀現(xiàn)象背后的微觀機(jī)制，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。*預(yù)測(cè)性能：可用于預(yù)測(cè)材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、溶解度、藥物釋放動(dòng)力學(xué)等，為材料選擇和器械設(shè)計(jì)提供量化指導(dǎo)。4.在設(shè)計(jì)用于體內(nèi)監(jiān)測(cè)的分子探針時(shí)，需要考慮哪些關(guān)鍵的分子設(shè)計(jì)要素？*高特異性識(shí)別基團(tuán)：探針必須能夠特異性結(jié)合目標(biāo)分析物（如腫瘤標(biāo)志物、病原體、特定組織）或體內(nèi)環(huán)境信號(hào)（如pH、溫度、氧化還原狀態(tài)），避免與其他生物分子非特異性結(jié)合。*合適的信號(hào)報(bào)告單元：需要選擇或設(shè)計(jì)能夠?qū)⒆R(shí)別事件轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)信號(hào)（如熒光、發(fā)光、電信號(hào)、超聲信號(hào)等）的報(bào)告基團(tuán)，且信號(hào)易于檢測(cè)和定量。*良好的生物相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性：探針分子本身及其與目標(biāo)結(jié)合后形成的復(fù)合物應(yīng)無毒、無免疫原性，在體內(nèi)循環(huán)或作用所需的時(shí)間內(nèi)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能活性。*合適的體內(nèi)滯留時(shí)間和分布特性：根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)探針的體內(nèi)代謝速率和靶向能力，使其能在目標(biāo)部位維持足夠的時(shí)間以完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，或根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)組織/細(xì)胞靶向。*易于合成和功能化：設(shè)計(jì)應(yīng)考慮探針分子的合成可行性和后續(xù)功能化修飾的便利性。四、論述題1.詳細(xì)論述分子設(shè)計(jì)如何影響聚合物基生物醫(yī)用材料在體內(nèi)的降解行為和宿主響應(yīng)過程。聚合物基生物醫(yī)用材料的體內(nèi)降解行為和宿主響應(yīng)是緊密相關(guān)的兩個(gè)過程，而分子設(shè)計(jì)是調(diào)控這兩個(gè)過程的根本手段。*影響降解行為：聚合物的分子設(shè)計(jì)，包括單體組成、分子量大小、分子鏈結(jié)構(gòu)（線性、支化、交聯(lián)）、共聚組成和序列、端基化學(xué)等，直接決定了其化學(xué)穩(wěn)定性和物理強(qiáng)度。例如，引入易水解或酶解的基團(tuán)（如酯鍵、酰胺鍵）可以設(shè)計(jì)可降解聚合物；調(diào)整分子量可以控制初始降解速率；引入交聯(lián)點(diǎn)可以提高材料的機(jī)械強(qiáng)度和降解速率；共聚可以引入不同降解特性的嵌段，實(shí)現(xiàn)分級(jí)降解。*影響宿主響應(yīng)：分子設(shè)計(jì)可以調(diào)控材料表面性質(zhì)和降解產(chǎn)物的特性，進(jìn)而影響宿主的免疫和炎癥反應(yīng)。例如，設(shè)計(jì)親水性單體或表面接枝親水基團(tuán)可以提高材料的生物相容性，減少血栓形成和炎癥反應(yīng)。通過共聚或表面修飾引入生物活性分子（如RGD肽、硫酸軟骨素），可以引導(dǎo)細(xì)胞粘附、增殖和分化，促進(jìn)組織再生和整合。降解產(chǎn)物的大小、濃度和化學(xué)性質(zhì)（如酸性代謝產(chǎn)物）也是關(guān)鍵因素，分子設(shè)計(jì)需要考慮如何控制降解過程，使其產(chǎn)生的降解產(chǎn)物對(duì)宿主無害甚至具有促再生作用。因此，分子設(shè)計(jì)需要綜合考慮降解速率、產(chǎn)物特性與宿主組織相互作用，以實(shí)現(xiàn)理想的生物相容性和組織整合效果。2.闡述利用分子設(shè)計(jì)策略開發(fā)針對(duì)特定疾?。ㄈ绨┌Y）的靶向藥物遞送系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案。開發(fā)高效靶向癌癥的藥物遞送系統(tǒng)是分子設(shè)計(jì)在醫(yī)藥領(lǐng)域的重點(diǎn)，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。*挑戰(zhàn)：*腫瘤異質(zhì)性：不同癌癥患者或同一腫瘤內(nèi)部存在分子和細(xì)胞表型的差異，導(dǎo)致對(duì)靶向分子的反應(yīng)不同。*靶向效率與特異性：設(shè)計(jì)的靶向分子（如抗體、適配體）需要高效結(jié)合腫瘤特異性標(biāo)志物，同時(shí)避免與正常組織上的相似標(biāo)志物結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正的“精準(zhǔn)打擊”。*穿透能力：許多腫瘤存在“血管生成障礙”和“基質(zhì)屏障”，遞送系統(tǒng)需要具備足夠的穿透能力才能到達(dá)深層癌細(xì)胞。*體內(nèi)穩(wěn)定性與生物相容性：靶向載體本身及其與靶點(diǎn)結(jié)合后需在血液中穩(wěn)定循環(huán)，避免過早被清除或引發(fā)免疫反應(yīng)。*藥物負(fù)載與釋放：需要在載體中有效負(fù)載藥物，并能在靶部位或特定微環(huán)境條件下（如低pH、高酶濃度）實(shí)現(xiàn)可控的藥物釋放。*多藥協(xié)同與智能化：實(shí)現(xiàn)多種藥物共遞送或根據(jù)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)釋放不同藥物，需要更復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)。*可能的解決方案：*多模態(tài)靶向設(shè)計(jì)：結(jié)合多種識(shí)別模式（如抗體+小分子適配體），提高識(shí)別的特異性和效率。*智能響應(yīng)性設(shè)計(jì)：利用聚合物或納米材料設(shè)計(jì)響應(yīng)腫瘤微環(huán)境（pH、溫度、酶）的智能載體，實(shí)現(xiàn)時(shí)空可控的藥物釋放。*優(yōu)化載體結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)具有特殊結(jié)構(gòu)（如核殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)）的載體，改善藥物負(fù)載、體內(nèi)循環(huán)和穿透能力。*表面功能化：通過分子設(shè)計(jì)對(duì)載體表面進(jìn)行修飾，如包裹聚乙二醇（PEG）延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，或修飾靶向分子增強(qiáng)特異性結(jié)合。*利用納米技術(shù)：設(shè)計(jì)納米機(jī)器人、外泌體等新型載體，可能具有更好的靶向性和穿透性。*高通量篩選與計(jì)算設(shè)計(jì)：結(jié)合實(shí)驗(yàn)篩選和分子模擬計(jì)算，加速高效靶向分子的發(fā)現(xiàn)和遞送系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.結(jié)合一個(gè)具體的生物醫(yī)學(xué)器械實(shí)例（如人工心臟瓣膜），分析分子設(shè)計(jì)在提升其性能和功能方面發(fā)揮了哪些關(guān)鍵作用。以人工心臟瓣膜為例，分子設(shè)計(jì)在多個(gè)層面對(duì)其性能提升至關(guān)重要。人工心臟瓣膜需要模擬天然瓣膜的功能，即精確、可逆地控制血液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，同時(shí)具備優(yōu)異的生物相容性，避免血栓形成、瓣膜鈣化、炎癥反應(yīng)和內(nèi)膜增生。*材料表面分子設(shè)計(jì)：這是分子設(shè)計(jì)發(fā)揮關(guān)鍵作用的主要方面。天然瓣膜表面具有復(fù)雜的分子構(gòu)成和微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效防止血栓和促進(jìn)內(nèi)皮化。人工瓣膜通過分子設(shè)計(jì)進(jìn)行表面改性