2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——生物材料分子設(shè)計與合成考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在設(shè)計可生物降解的聚酯類材料時，引入親水基團的主要目的是什么？A.提高材料的力學(xué)強度B.延長材料的降解時間C.促進材料的生物相容性D.增大材料的溶解度2.下列哪種聚合反應(yīng)通常用于合成聚乳酸（PLA）這種重要的生物可降解聚合物？A.自由基聚合B.陰離子聚合C.開環(huán)聚合D.縮聚反應(yīng)3.對于需要與細胞長時間相互作用的三維支架材料，以下哪種表面改性策略通常被認(rèn)為是有益的？A.增加材料的表面粗糙度B.完全鈍化表面，避免任何相互作用C.引入帶負(fù)電荷的官能團D.減少材料的表面自由能4.在設(shè)計用于藥物緩釋的生物材料時，材料的孔徑大小是一個關(guān)鍵因素。通常情況下，較小的孔徑有利于哪種藥物釋放模式？A.快速釋放B.持續(xù)、恒定釋放C.受控的脈沖式釋放D.依賴擴散的緩慢釋放5.下列哪種生物相容性評價方法主要評估材料在體外的細胞毒性？A.動物植入實驗B.皮膚刺激試驗C.細胞毒性測試（如MTT法）D.免疫原性檢測6.甲基丙烯酸酯類單體（如甲基丙烯酸甲酯，MMA）是合成光固化樹脂的常用材料，其主要優(yōu)勢在于什么？A.成本極低B.可在常溫下快速固化C.對生物組織具有良好的生物相容性D.易于進行原子力顯微鏡（AFM）表征7.在設(shè)計用于組織工程的水凝膠支架時，材料的降解速率通常需要與組織的再生速度相匹配。以下哪種策略可用于調(diào)節(jié)水凝膠的降解速率？A.改變交聯(lián)劑類型B.調(diào)整單體分子量C.控制網(wǎng)絡(luò)鏈段密度D.以上所有策略均可8.兩親分子（如嵌段共聚物）在水相中自組裝形成膠束，這些膠束的核心通常富集哪種成分？A.親水鏈段B.疏水鏈段C.交聯(lián)劑D.終端基團9.對于需要長期植入體內(nèi)的植入式生物材料，其耐久性（如力學(xué)性能的保持）是一個重要考量。以下哪種因素對其耐久性影響最大？A.材料的純度B.材料的表面形貌C.材料在生理環(huán)境中的穩(wěn)定性D.材料的密度10.生物材料分子設(shè)計過程中，考慮材料的“適配體-受體”相互作用通常是為了實現(xiàn)什么功能？A.提高材料的力學(xué)強度B.實現(xiàn)材料的靶向遞送C.增強材料的生物相容性D.促進材料的快速降解二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.設(shè)計生物材料時，需要考慮的兩大核心要素通常是材料的______性能和______性能。2.聚合物材料的分子量分布（MWD）對其力學(xué)性能、降解行為和生物相容性都有重要影響。常用的衡量指標(biāo)有數(shù)均分子量（Mn）和______分子量（Mw）。3.表面接枝改性是改善生物材料表面特性的常用方法，例如，接枝______可以增加材料表面的親水性，有利于細胞附著。4.設(shè)計用于骨修復(fù)的生物材料時，通常需要滿足骨傳導(dǎo)、骨整合和______三種基本性能要求。5.自組裝是一種利用分子間相互作用（如氫鍵、疏水作用）自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程，其中______是常見的驅(qū)動自組裝的物理驅(qū)動力。6.藥物遞送載體材料的設(shè)計需要考慮藥物的______、______和體內(nèi)穩(wěn)定性等關(guān)鍵因素。7.評價生物材料生物相容性時，除了細胞毒性，還需要關(guān)注其潛在的______、致癌性和致敏性等長期效應(yīng)。8.開環(huán)聚合是合成一些重要生物基聚合物（如聚乳酸、聚乙醇酸）的常用方法，其單體通常是______。9.水凝膠是一種具有高度水合性的網(wǎng)狀聚合物材料，其溶脹行為和降解特性與其交聯(lián)結(jié)構(gòu)（如______和______）密切相關(guān)。10.嵌段共聚物的miktoarm結(jié)構(gòu)（即具有不同臂長和組成）可以調(diào)控其自組裝行為和形成的超分子結(jié)構(gòu)，使其在生物材料設(shè)計中具有獨特的應(yīng)用潛力。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述表面接枝改性在改善生物材料生物相容性方面的主要作用機制。2.與傳統(tǒng)的均聚物相比，嵌段共聚物或接枝共聚物在生物材料分子設(shè)計中具有哪些獨特的優(yōu)勢？3.解釋什么是生物材料的“兩相性”，并舉例說明其在組織工程支架設(shè)計中的應(yīng)用。4.簡述核磁共振（NMR）技術(shù)在表征生物聚合物結(jié)構(gòu)（如序列、構(gòu)象）方面的主要作用。四、論述題（每題10分，共20分）1.以一種具體類型的生物材料（如用于藥物遞送、組織工程或生物傳感）為例，詳細闡述其分子設(shè)計過程中需要考慮的關(guān)鍵因素，并說明這些因素如何影響其最終性能和應(yīng)用效果。2.討論化學(xué)合成方法和生物合成方法（如酶催化合成、細胞合成）在制備生物材料分子時各自的優(yōu)勢和局限性，并分析未來發(fā)展趨勢。---試卷答案一、選擇題1.C解析：引入親水基團（如羥基、羧基）可以增加材料與水分子或生物體液（如血液、組織液）的相互作用，減少材料表面的疏水效應(yīng)，從而促進細胞附著、改善生物相容性。2.C解析：聚乳酸（PLA）是通過乳酸單元的開環(huán)聚合反應(yīng)合成的。開環(huán)聚合是合成許多生物可降解高分子材料（如聚乙醇酸PGA、聚己內(nèi)酯PCL）的典型方法。3.A解析：適度的表面粗糙度可以增加材料與細胞的接觸面積，為細胞提供更多的附著點和生長位點，有利于細胞的粘附、增殖和分化，從而提高材料的生物相容性和組織相容性。4.D解析：較小的孔徑會限制大分子或藥物分子的擴散路徑，導(dǎo)致藥物釋放驅(qū)動力主要依賴于濃度梯度驅(qū)動的擴散過程，從而使藥物釋放速率相對較慢，呈現(xiàn)依賴擴散的緩慢釋放模式。5.C解析：細胞毒性測試（如MTT法）是體外評價材料直接接觸時對細胞存活率影響的常用方法，是生物相容性評價的初步和重要環(huán)節(jié)。動物植入實驗評估體內(nèi)長期反應(yīng)，皮膚刺激試驗評估皮膚反應(yīng)，免疫原性檢測評估免疫反應(yīng)。6.B解析：甲基丙烯酸酯類單體含有光敏性丙烯酰基，在紫外光或可見光照射下，可以通過自由基聚合快速固化，實現(xiàn)快速成型，這是其廣泛應(yīng)用的重要原因。7.D解析：水凝膠的降解速率主要取決于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。改變交聯(lián)劑類型（如使用可降解交聯(lián)劑）、調(diào)整單體分子量（影響網(wǎng)絡(luò)鏈段柔順性）、控制網(wǎng)絡(luò)鏈段密度（影響交聯(lián)點距離）等均可有效調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的斷裂和降解速率。8.B解析：兩親分子在水中自組裝時，其疏水鏈段傾向于避開水環(huán)境，聚集在一起形成膠束的核心；而親水鏈段則伸向水相，形成膠束的外殼。9.C解析：植入式生物材料需要在復(fù)雜的生理環(huán)境中長期穩(wěn)定運行，抵抗降解、磨損、腐蝕等因素的影響。因此，材料在生理環(huán)境（如體溫、pH、酶、電解質(zhì)）中的化學(xué)和物理穩(wěn)定性對其長期耐久性至關(guān)重要。10.B解析：利用生物材料表面修飾或載體設(shè)計，使其能夠特異性識別并結(jié)合靶標(biāo)細胞、組織或病灶部位的特定分子（如受體），從而將負(fù)載的藥物或功能分子遞送到預(yù)定位置，實現(xiàn)靶向治療。二、填空題1.機械；生物解析：生物材料的設(shè)計必須兼顧其作為結(jié)構(gòu)部件的機械性能（如強度、剛度、韌性）和與生物體相互作用的生物性能（如生物相容性、生物功能性、可降解性等）。2.重均解析：重均分子量（Mw）考慮了不同分子量組分的分子量大小及其數(shù)量（或質(zhì)量）貢獻，更能反映高分子材料在實際應(yīng)用中的整體性質(zhì)，是表征分子量分布的另一個重要指標(biāo)。3.羧基（或負(fù)電性基團）解析：引入帶負(fù)電荷的基團（如羧基、磺酸基）可以增加材料表面的電荷密度，使其表現(xiàn)出強親水性，有利于吸引水分子和帶正電荷的細胞表面成分，促進細胞附著。4.生物活性解析：理想的骨修復(fù)材料應(yīng)具備骨傳導(dǎo)性（提供支架）、骨整合性（與宿主骨結(jié)合）以及具備促進新骨形成的能力（生物活性，如引導(dǎo)骨再生）。5.疏水作用解析：除了氫鍵等作用力，分子間的疏水相互作用的自發(fā)性也是驅(qū)動許多生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）以及兩親分子在水中自組裝形成有序結(jié)構(gòu)的重要因素。6.物理化學(xué)性質(zhì)；靶向性解析：藥物遞送載體需要能保護藥物免受環(huán)境破壞（如光、酸堿、酶），并在需要的位置釋放藥物（控制釋放速率和部位），這取決于藥物本身的性質(zhì)以及載體的性質(zhì)。7.致敏性解析：生物相容性的全面評估不僅包括短期細胞毒性，還需關(guān)注長期植入可能引發(fā)的慢性炎癥反應(yīng)、肉芽腫形成等致敏或免疫排斥問題。8.內(nèi)酯環(huán)解析：聚乳酸、聚乙醇酸等生物可降解聚酯是通過其單體（乳酸、乙醇酸）分子中的內(nèi)酯環(huán)開環(huán)聚合而成的。9.網(wǎng)點結(jié)構(gòu)；鏈段運動能力解析：水凝膠的溶脹和降解行為與其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（由交聯(lián)點構(gòu)成）的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)鏈段的柔順性密切相關(guān)。交聯(lián)點密度決定了網(wǎng)絡(luò)的緊致程度，而鏈段運動能力則影響網(wǎng)絡(luò)的可溶脹性和降解速率。10.miktoarm（或非對稱）解析：miktoarm嵌段共聚物具有至少兩種不同長度或組成的臂連接到一個共同的核心上，這種非對稱結(jié)構(gòu)使其自組裝行為更加復(fù)雜和可調(diào)控，能夠形成多種多樣的超分子結(jié)構(gòu)，如膠束、囊泡等，提供了豐富的材料設(shè)計空間。三、簡答題1.簡述表面接枝改性在改善生物材料生物相容性方面的主要作用機制。解析：表面接枝改性通過在生物材料基底表面引入特定的功能性化學(xué)基團或生物分子，可以顯著改變材料表面的化學(xué)組成、親疏水性、電荷狀態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，接枝親水性基團（如羥基、羧基）可以增加表面潤濕性，促進細胞吸附和增殖；接枝帶正電荷基團可以吸引帶負(fù)電荷的細胞表面成分；接枝細胞粘附分子（如層粘連蛋白、纖連蛋白）可以直接提供細胞附著位點，引導(dǎo)細胞行為；調(diào)節(jié)表面電荷可以影響蛋白質(zhì)吸附和免疫細胞浸潤。通過這些方式，接枝改性能夠有效屏蔽或調(diào)控材料基底可能存在的生物惰性或毒性，創(chuàng)造一個更友好、更符合生理需求的表面微環(huán)境，從而顯著改善整體生物相容性。2.與傳統(tǒng)的均聚物相比，嵌段共聚物或接枝共聚物在生物材料分子設(shè)計中具有哪些獨特的優(yōu)勢？解析：嵌段共聚物和接枝共聚物由兩種或多種不同的聚合物鏈段組成，這種結(jié)構(gòu)多樣性賦予了它們獨特的優(yōu)勢：①多功能性：不同鏈段可以賦予材料不同的功能，例如，疏水鏈段提供生物相容性或疏水核心，親水鏈段提供水合性或親水性表面，從而實現(xiàn)兩親性或多功能性；②可調(diào)性：通過改變鏈段類型、組成、分子量和嵌段/接枝結(jié)構(gòu)，可以精確調(diào)控材料的物理化學(xué)性質(zhì)（如相容性、溶解性、力學(xué)性能、自組裝行為）和生物功能；③超分子組裝能力：基于鏈段間的相容性差異，嵌段共聚物可以在溶液或熔體中自組裝形成各種有序的超分子結(jié)構(gòu)（如膠束、囊泡、柱狀體、層狀體），這些結(jié)構(gòu)本身就是有潛在應(yīng)用價值的材料形態(tài)，可用于藥物遞送、組織工程支架等；④生物相容性設(shè)計：可以通過選擇合適的生物相容性鏈段和結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料的生物相容性，并利用特定結(jié)構(gòu)（如膠束核心）來裝載生物活性分子。3.解釋什么是生物材料的“兩相性”，并舉例說明其在組織工程支架設(shè)計中的應(yīng)用。解析：生物材料的“兩相性”通常指在材料內(nèi)部同時存在兩種或多種具有不同物理化學(xué)性質(zhì)或生物功能的區(qū)域或組分。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計旨在模擬天然組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，實現(xiàn)多種功能的協(xié)同作用。例如，在組織工程支架設(shè)計中，常見的兩相結(jié)構(gòu)包括：①固體相/孔隙相：材料主體（固體相，如聚合物網(wǎng)絡(luò)）提供結(jié)構(gòu)支撐和細胞附著位點，而孔隙（孔隙相）則允許細胞遷移、營養(yǎng)物質(zhì)傳輸和廢物排出；②親水相/疏水相：通過表面改性或共混，在材料表面或內(nèi)部形成親水和疏水區(qū)域。親水區(qū)域有利于細胞附著、水分保持和藥物溶解，疏水區(qū)域可以作為藥物儲存庫或提供疏水環(huán)境以特定細胞生長。③硬相/軟相：在軟骨或骨骼修復(fù)中，設(shè)計具有不同力學(xué)模量的區(qū)域，以模擬天然組織的不均勻力學(xué)環(huán)境。這種兩相結(jié)構(gòu)的設(shè)計有助于提高材料的生物功能性和性能，更好地滿足組織再生修復(fù)的需求。4.簡述核磁共振（NMR）技術(shù)在表征生物聚合物結(jié)構(gòu)（如序列、構(gòu)象）方面的主要作用。解析：核磁共振（NMR）spectroscopy是一種強大的波譜學(xué)技術(shù)，利用原子核（主要是氫核1H、碳核13C）在強磁場中的共振現(xiàn)象來獲取分子結(jié)構(gòu)信息。在生物聚合物表征中，NMR的主要作用包括：①序列/組成分析：通過1HNMR或13CNMR中的化學(xué)位移、耦合裂分和積分面積，可以識別聚合物鏈段中不同原子（如質(zhì)子、碳原子）的種類、連接方式，從而推斷重復(fù)單元結(jié)構(gòu)、序列分布（對于蛋白質(zhì)）或共聚組成。二維NMR技術(shù)（如1H-1HCOSY,HSQC,HMBC）可以更清晰地揭示原子連接關(guān)系，解析復(fù)雜結(jié)構(gòu)。②構(gòu)象分析：通過特定核磁共振參數(shù)（如自旋-自旋弛豫時間T?、化學(xué)位移各向異性CSA、氫鍵相關(guān)的化學(xué)位移變化），可以研究生物聚合物（特別是蛋白質(zhì)）在水溶液或固體狀態(tài)下的空間結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋、β-折疊）、三維結(jié)構(gòu)域折疊以及分子內(nèi)或分子間的相互作用。③相互作用研究：NMR可以探測生物聚合物與其他分子（如小分子配體、其他生物大分子）之間的結(jié)合，通過結(jié)合引起化學(xué)位移變化（化學(xué)位移位移）、弛豫時間變化（如1HNOE）或信號強度變化來提供結(jié)合信息，如結(jié)合親和力、結(jié)合位點等。④分子動力學(xué)信息：通過弛豫分散實驗（RDC）等，可以測量生物大分子的整體或局部旋轉(zhuǎn)速度，提供關(guān)于分子內(nèi)運動狀態(tài)和動力學(xué)信息。因此，NMR是研究生物聚合物靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)、溶液構(gòu)象以及分子相互作用的重要工具。四、論述題1.以一種具體類型的生物材料（如用于藥物遞送、組織工程或生物傳感）為例，詳細闡述其分子設(shè)計過程中需要考慮的關(guān)鍵因素，并說明這些因素如何影響其最終性能和應(yīng)用效果。以用于腫瘤靶向藥物遞送的兩親性嵌段共聚物膠束為例：分子設(shè)計的關(guān)鍵因素及其影響：*兩親性單體選擇與嵌段結(jié)構(gòu)設(shè)計：需要選擇疏水性和親水性（或兩親性）兩種或多種單體構(gòu)成嵌段共聚物。疏水段通常形成膠束的核心，用于裝載疏水性藥物；親水段構(gòu)成膠束外殼，提供親水性，增加膠束在水性生物環(huán)境中的穩(wěn)定性，防止藥物過早泄漏，并負(fù)責(zé)與腫瘤微環(huán)境或血液循環(huán)中的生物分子相互作用。嵌段的組成、長度比和順序直接影響膠束的尺寸、形態(tài)、藥物載量、釋放速率和表面性質(zhì)。例如，增加疏水段比例通常增大膠束粒徑，可能增強對疏水藥物的載藥量，但也可能降低其血液循環(huán)時間。*膠束內(nèi)核性質(zhì)設(shè)計：內(nèi)核的疏水環(huán)境需要能有效包裹和穩(wěn)定藥物分子，防止其代謝失活或非特異性結(jié)合。同時，內(nèi)核的結(jié)晶度或脂質(zhì)體樣結(jié)構(gòu)影響藥物釋放動力學(xué)。設(shè)計可響應(yīng)性內(nèi)核（如溫度、pH、還原性環(huán)境敏感的聚合物）可以實現(xiàn)刺激釋放，提高腫瘤部位的靶向遞送效率和治療效果。*表面功能化設(shè)計：膠束表面性質(zhì)對靶向性和生物相容性至關(guān)重要。通過在親水外殼上接枝靶向分子（如特定抗體、多肽、小分子配體）可以實現(xiàn)對腫瘤細胞特異性識別和結(jié)合，提高靶向富集能力。同時，接枝修飾（如聚乙二醇PEG）可以“隱形”化膠束，延長血液循環(huán)時間，減少非特異性分布和免疫原性。還可以接枝其他功能基團，如長循環(huán)基團、保護性外殼、成像報告基團或激活的藥物釋放基團。*生物相容性與降解性（如果考慮體內(nèi)應(yīng)用或組織工程）：材料本身及其降解產(chǎn)物必須具有良好的生物相容性。對于體內(nèi)應(yīng)用，需要考慮膠束的體內(nèi)降解途徑和產(chǎn)物毒性。對于組織工程應(yīng)用，則需考慮材料的生物相容性、與細胞的相互作用、降解速率是否與組織再生速度匹配等。最終性能和應(yīng)用效果：通過上述多方面因素的精心設(shè)計，可以獲得具有高藥物載量、良好穩(wěn)定性、精確腫瘤靶向能力、可控釋放行為、較長血液循環(huán)時間和良好生物相容性的嵌段共聚物膠束，從而顯著提高腫瘤治療的效率和安全性。設(shè)計不當(dāng)則可能導(dǎo)致藥物泄漏、靶向性差、毒副作用大等問題。2.討論化學(xué)合成方法和生物合成方法（如酶催化合成、細胞合成）在制備生物材料分子時各自的優(yōu)勢和局限性，并分析未來發(fā)展趨勢?；瘜W(xué)合成方法與生物合成方法在制備生物材料分子時的比較及發(fā)展趨勢：化學(xué)合成方法：優(yōu)勢：*高效性與可規(guī)模化：能夠快速、大量、低成本地合成結(jié)構(gòu)明確、均一的聚合物或分子，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。*結(jié)構(gòu)多樣性：可以設(shè)計和合成自然界不存在的、具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子，提供極大的設(shè)計自由度。*精確控制：可以精確控制分子的化學(xué)組成、序列、構(gòu)型等，實現(xiàn)高度定制化。局限性：*可能產(chǎn)生非生物相容性副產(chǎn)物：合成過程中可能使用強酸、強堿、有機溶劑等，或在分子鏈中引入生物不相容的基團，需要進行復(fù)雜的后處理或降解。*環(huán)境影響：大規(guī)?；瘜W(xué)合成可能產(chǎn)生大量廢棄物，對環(huán)境造成污染。*對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合成能力有限：對于具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)或手性要求極高的生物分子，化學(xué)合成可能非常困難或成本高昂。生物合成方法（酶催化、細胞合成）：優(yōu)勢：*高保真度與選擇性：酶催化反應(yīng)具有高度的特異性，能夠精確地合成具有天然生物活性的復(fù)雜分子（如蛋白質(zhì)、多肽、天然聚合物），并能精確控制序列和構(gòu)型