2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子結構與生物材料功能關系研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)）1.下列哪種化學鍵主要存在于水分子（H?O）內(nèi)部？A.離子鍵B.共價鍵C.氫鍵D.范德華力2.根據(jù)VSEPR理論，分子構型為平面三角形的分子是？A.BF?B.CH?C.H?OD.NH?3.在生物材料中，氫鍵主要對哪種性質(zhì)起關鍵作用？A.熱穩(wěn)定性B.電解質(zhì)溶解度C.力學強度D.水溶性4.蛋白質(zhì)的二級結構主要是指？A.氨基酸序列B.蛋白質(zhì)的整體折疊方式C.α-螺旋和β-折疊D.蛋白質(zhì)亞基的構成5.下列哪種生物材料屬于天然多糖？A.聚乳酸（PLA）B.聚乙烯醇（PVA）C.膠原蛋白D.聚丙烯腈（PAN）6.生物材料的結晶度通常與其哪種性能呈正相關？A.柔韌性B.透明度C.力學強度D.生物相容性7.下列哪種分子間作用力存在于非極性分子之間？A.氫鍵B.離子-偶極作用C.偶極-偶極作用D.倫敦色散力8.DNA雙螺旋結構中，堿基配對遵循的規(guī)則是？A.A與B，G與CB.A與C，G與TC.A與T，G與CD.A與G，T與C9.在生物材料設計中，通過引入親水基團，主要目的是為了？A.提高材料的力學強度B.增強材料的生物相容性C.降低材料的降解速率D.增大材料的溶解度10.X射線衍射（XRD）技術主要用于分析材料的？A.化學元素組成B.分子構象與手性C.晶體結構與結晶度D.表面化學狀態(tài)二、填空題（請將答案填入橫線上）1.分子極性取決于分子中化學鍵的________和分子的________。2.氫鍵是一種介于________鍵和________力之間的特殊相互作用。3.生物大分子的三級結構是指其________結構的進一步折疊和盤繞。4.殼聚糖是一種天然多糖，其單體是________。5.生物材料的力學性能與其分子鏈的________、交聯(lián)密度和微觀結構密切相關。6.氫鍵的形成需要同時具備________原子和________原子。7.分子識別是生物大分子特異性的基礎，通常基于分子間的________和________。8.表面改性是調(diào)控生物材料________性能和________功能的重要手段。9.核磁共振（NMR）spectroscopy可用于確定分子的________結構和________。10.細胞毒性測試是評價生物材料________性能的常用方法。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題）1.簡述共價鍵和離子鍵的形成原理及其主要區(qū)別。2.氫鍵在生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）的結構和功能中扮演什么角色？3.簡述生物材料的多尺度結構層次，并說明各層次結構對材料性能的影響。4.為什么說生物相容性是評價生物材料功能的首要標準？請列舉影響生物相容性的結構因素。5.簡要說明掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在生物材料結構表征中的不同應用和原理。四、論述題（請結合具體實例或原理，深入闡述下列問題）1.論述分子鏈柔順性（旋轉(zhuǎn)自由度）對生物材料力學性能（如拉伸強度、彈性）和生物過程（如細胞遷移、藥物釋放）的影響機制。2.以一種具體的生物材料（如用于藥物遞送的聚合物膠束、用于組織工程的三維支架）為例，詳細闡述其結構設計如何實現(xiàn)特定的功能（如靶向性、控釋性、力學支持等），并分析其結構-功能關系。3.討論在生物材料研究中，如何通過調(diào)控分子結構（如分子量、支化度、共聚組成、交聯(lián)方式）來調(diào)控材料的降解行為（速率、方式）及其與宿主組織的相互作用。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.D4.C5.C6.C7.D8.C9.B10.C二、填空題1.極性；對稱性2.共價；范德華3.超二級4.N-乙酰氨基葡萄糖5.晶格排列規(guī)整性6.氧；氫7.特異性；親和力8.表面；生物9.空間；連接10.生物學三、簡答題1.解析思路：首先回答共價鍵和離子鍵的形成原理。共價鍵是通過原子間共享電子對形成的，通常發(fā)生在非金屬元素之間；離子鍵是通過原子得失電子形成離子，離子間通過靜電引力結合，常見于金屬與非金屬之間。然后比較兩者的主要區(qū)別，如結合力強弱（離子鍵通常更強）、是否形成離子（是/否）、熔沸點高低（離子化合物通常更高）、是否導電（熔融或溶解狀態(tài)下導電，否）等。2.解析思路：說明氫鍵是分子間或分子內(nèi)帶部分電荷的原子（如N-H,O-H,N-O）與另一分子中相應的電負性強的原子（如O,N,F）之間的相互作用。在生物大分子中，氫鍵是維持二級結構（α-螺旋、β-折疊）和三級結構穩(wěn)定性的關鍵作用力。同時，氫鍵也影響材料的溶解性、粘度、以及生物分子間的識別和相互作用（如抗原抗體結合、酶底物結合）。3.解析思路：首先列出生物材料的多尺度結構層次，通常從原子、分子->聚集體/超分子->微觀結構（晶態(tài)、非晶態(tài)、孔道）->亞微觀/宏觀結構（形態(tài)、尺寸、表面形貌）。然后逐一說明各層次結構對性能的影響，如原子鍵合決定基本性質(zhì)，分子排列影響聚集態(tài)和力學，微觀結構決定孔隙率、比表面積、透明度等，宏觀結構影響整體形態(tài)和功能一體化。4.解析思路：首先闡述生物相容性是指材料植入或接觸生物體后，能被生物體接受，不引起強烈的免疫排斥反應、毒性作用或組織損傷。強調(diào)其是生物材料能否應用于實際醫(yī)療場景的根本前提。然后列舉影響生物相容性的結構因素，如材料的化學成分（是否含有毒性官能團）、表面化學狀態(tài)（親疏水性、電荷）、分子大小（是否被巨噬細胞識別）、降解產(chǎn)物類型和速率（是否引起炎癥）等。5.解析思路：說明SEM和TEM都是利用電子束與樣品相互作用成像的顯微鏡。SEM使用二次電子或背散射電子成像，樣品制備相對簡單（可觀察導電樣品或噴金處理非導電樣品），分辨率較高，主要提供樣品表面的形貌信息。TEM使用透射電子束，需要制備超薄切片（可達納米級），分辨率極高，可以觀察樣品內(nèi)部的精細結構和晶體信息。在生物材料表征中，SEM常用于觀察宏觀和微觀形貌，如支架的孔結構、薄膜的表面粗糙度；TEM則用于觀察材料的納米結構、晶體缺陷、組分分布等。四、論述題1.解析思路：闡述分子鏈柔順性是指分子鏈鏈段（如主鏈原子或側(cè)基）圍繞單鍵旋轉(zhuǎn)的自由度。柔順性好的材料，分子鏈易變形，在外力作用下易于發(fā)生滑移和取向，因此通常表現(xiàn)出較低的剛性和較高的延展性（柔韌性），但拉伸強度可能相對較低。反之，柔順性差的材料，分子鏈相對剛硬，難以變形，不易滑移，表現(xiàn)出較高的剛性和強度，但可能脆性較大。在生物過程方面，柔順性影響材料的生物相容性（柔順材料可能更易適應環(huán)境）、藥物分子在載體內(nèi)的擴散速率（柔順載體可能利于藥物釋放）、以及細胞在材料表面的遷移和增殖（適度的柔順性可能更有利于細胞活動）。2.解析思路：選擇一個實例，如聚合物膠束用于藥物遞送。首先描述其結構設計，如使用親水性的嵌段共聚物（如PEG），PEG鏈段伸向水相形成外殼，疏水性鏈段（如PLA,PCL）聚集在內(nèi)核形成藥物儲庫。結構設計的目標是實現(xiàn)“隱形”效應（PEG外殼避免免疫識別）、控釋性（藥物從內(nèi)核緩慢釋放）、靶向性（通過修飾外殼實現(xiàn)主動靶向）。然后詳細闡述結構如何實現(xiàn)功能：PEG外殼形成穩(wěn)定核殼結構并阻止藥物過早泄漏；內(nèi)核的疏水環(huán)境促使藥物分子聚集；核殼結構的尺寸和表面性質(zhì)可調(diào)控；通過引入靶向分子（如抗體）連接到PEG外殼實現(xiàn)靶向。最后分析其結構-功能關系，強調(diào)特定結構（核殼、表面性質(zhì)）是特定功能（控釋、靶向）的基礎。3.解析思路：首先說明生物材料降解是結構劣變的過程，通常涉及水解或氧化等化學鍵斷裂。然后討論如何通過調(diào)控分子結構來影響降解。分子量：分子量大小影響初始力學強度和降解速率，分子量過大則降解緩慢，過小則強度不足。支化度/交聯(lián)度：適度交聯(lián)可以提高材料的力學強度和降解穩(wěn)定性，但交聯(lián)過度會阻止水分子擴散，反