2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的新進展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述化學(xué)在發(fā)展新型靶向藥物遞送系統(tǒng)中所扮演的關(guān)鍵角色，并列舉至少兩種基于化學(xué)設(shè)計的遞送載體類型及其優(yōu)勢。二、生物醫(yī)用材料在體內(nèi)需要滿足哪些基本要求？請選擇一種你熟悉的新型生物醫(yī)用材料（如形狀記憶合金、自修復(fù)水凝膠、智能藥物釋放材料等），簡述其結(jié)構(gòu)特點、主要應(yīng)用領(lǐng)域以及其化學(xué)設(shè)計與生物功能實現(xiàn)之間的關(guān)系。三、介紹一種用于疾病診斷的生物化學(xué)傳感器的原理。該傳感器如何將生物識別事件（如目標(biāo)分子結(jié)合）轉(zhuǎn)化為可測量的化學(xué)或物理信號？請舉例說明該類傳感器在特定疾病標(biāo)志物檢測中的應(yīng)用。四、化學(xué)生物學(xué)利用化學(xué)工具研究生命科學(xué)問題。請舉例說明化學(xué)探針或點擊化學(xué)/生物正交化學(xué)方法在研究蛋白質(zhì)功能、基因調(diào)控或細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的應(yīng)用。五、納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。請分別闡述納米材料在腫瘤治療（如藥物遞送、成像引導(dǎo)、光熱/放療）和疾病診斷（如早期檢測、生物成像探針）方面的至少兩個不同應(yīng)用，并比較其優(yōu)缺點。六、近年來，人工智能（AI）技術(shù)開始與化學(xué)、生物學(xué)深度融合。請簡述AI在藥物發(fā)現(xiàn)、化學(xué)生物傳感或生物材料設(shè)計中的應(yīng)用潛力，并指出其可能面臨的挑戰(zhàn)。七、金屬有機框架（MOFs）材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中顯示出興趣。請描述MOFs材料的一個潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方向（如藥物儲存與釋放、氣體傳感、生物成像、催化劑等），并說明其化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計如何影響其生物功能。八、化學(xué)方法在基因編輯技術(shù)（如CRISPR）的應(yīng)用或輔助方面有哪些新的探索？請舉例說明，并簡述這些化學(xué)方法的作用及其重要性。試卷答案一、化學(xué)在發(fā)展新型靶向藥物遞送系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色在于：設(shè)計具有特定分子識別能力的配體、構(gòu)建具有智能響應(yīng)（如pH、溫度、酶敏感）的聚合物或納米載體、合成能夠保護藥物免于過早代謝或降解的穩(wěn)定分子結(jié)構(gòu)、以及開發(fā)高效的藥物負(fù)載和釋放機制。基于化學(xué)設(shè)計的遞送載體類型及其優(yōu)勢包括：1.聚合物納米粒（如PLGA納米粒）：優(yōu)勢在于良好的生物相容性、可調(diào)控的粒徑和表面性質(zhì)、藥物負(fù)載量高、可進行主動靶向修飾（連接抗體、多肽等靶向分子）。2.脂質(zhì)體：優(yōu)勢在于生物相容性好、細(xì)胞膜融合能力強、可包載水溶性和脂溶性藥物、表面易于功能化進行靶向修飾或長循環(huán)設(shè)計。二、生物醫(yī)用材料在體內(nèi)需要滿足的基本要求包括：良好的生物相容性（無毒性、無致免疫排斥反應(yīng)）、適當(dāng)?shù)纳锪W(xué)性能（與宿主組織匹配）、足夠的穩(wěn)定性（在體內(nèi)環(huán)境不易降解或變形）、可控的降解速率（對于可吸收材料）、以及良好的組織相容性或整合能力。以自修復(fù)水凝膠為例，其結(jié)構(gòu)特點通常包含能感知損傷的化學(xué)鍵（如動態(tài)共價鍵、可逆交聯(lián)點）或物理纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括組織工程支架（提供三維基質(zhì)支持細(xì)胞生長）、藥物緩釋載體（藥物釋放后基質(zhì)可自修復(fù)）、傷口敷料（促進創(chuàng)面愈合）。其化學(xué)設(shè)計與生物功能實現(xiàn)之間的關(guān)系體現(xiàn)在：通過設(shè)計特定的化學(xué)基團或交聯(lián)方式，賦予水凝膠感知生物微環(huán)境（如酶、pH）并觸發(fā)自修復(fù)的能力；通過調(diào)控網(wǎng)絡(luò)密度、單體類型和交聯(lián)強度，控制水凝膠的力學(xué)性能、降解速率和藥物釋放行為，使其滿足特定組織修復(fù)或藥物遞送的需求。三、一種常見的生物化學(xué)傳感器是基于酶促反應(yīng)產(chǎn)生可測信號的原理。其工作機制是：利用酶作為生物識別元件，當(dāng)目標(biāo)分析物（如葡萄糖、膽固醇、特定腫瘤標(biāo)志物）與酶結(jié)合或被酶催化時，會引起酶活性發(fā)生改變（如催化速率增加或改變）。這種生物識別事件通過連接酶的信號轉(zhuǎn)換部分（如酶偶聯(lián)的氧化還原指示劑、酶催化的顯色反應(yīng)、酶控制的電化學(xué)信號等）轉(zhuǎn)化為可測量的化學(xué)信號（如吸光度、熒光強度、電信號）或物理信號（如pH變化、表面等離子體共振變化）。例如，葡萄糖氧化酶傳感器用于檢測血糖，酶催化氧化葡萄糖產(chǎn)生過氧化氫，過氧化氫再氧化氧化還原指示劑，導(dǎo)致指示劑信號強度變化，從而反映血糖濃度。該類傳感器在疾病標(biāo)志物檢測中應(yīng)用廣泛，如通過檢測尿液中特定酶的活性水平診斷腎臟疾病，或通過檢測血液中腫瘤相關(guān)酶的濃度輔助癌癥診斷。四、化學(xué)生物學(xué)利用化學(xué)工具研究生命科學(xué)問題的例子包括：1.化學(xué)探針：設(shè)計具有特定反應(yīng)活性的小分子探針，能夠與生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸）特異性結(jié)合，并通過引入可檢測的熒光、發(fā)光或生物活性基團，直接可視化或功能性地標(biāo)記這些生物分子及其在細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)過程。例如，利用親和光化學(xué)探針（AffinityPhotochemicalProbes,APPs）在接近靶蛋白的條件下發(fā)生不可逆共價結(jié)合，實現(xiàn)對蛋白的捕獲、定位和后續(xù)分析，用于研究蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)或翻譯后修飾。2.點擊化學(xué)/生物正交化學(xué)：利用一系列條件溫和、高選擇性的“點擊”反應(yīng)，在生物系統(tǒng)（細(xì)胞、組織、活體）中引入帶有特定功能的化學(xué)標(biāo)記。例如，在細(xì)胞表面或活體動物中，通過生物正交反應(yīng)（如Azide-AlkyneClick反應(yīng)）將熒光染料、親和配體或藥物分子特異性地連接到靶向分子（如細(xì)胞表面蛋白、特定核酸序列）上，用于細(xì)胞分選、蛋白質(zhì)定位追蹤、基因編輯研究或靶向治療。五、納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用：1.腫瘤治療-藥物遞送：納米載體（如納米粒、膠束、脂質(zhì)體）可以有效地將化療藥物或靶向藥物集中于腫瘤部位，提高腫瘤組織的藥物濃度，降低對正常組織的毒副作用。其優(yōu)勢在于：增強滲透和滯留效應(yīng)（EPR效應(yīng)），易于穿過腫瘤血管壁；提高藥物穩(wěn)定性；實現(xiàn)藥物控釋和靶向釋放；可同時裝載多種藥物。缺點包括：規(guī)?；a(chǎn)和質(zhì)量控制難度大；潛在的免疫原性和毒性；靶向效率和生物相容性仍需優(yōu)化；體內(nèi)行為（如代謝、排泄）復(fù)雜。2.疾病診斷-生物成像探針：納米材料（如量子點、金納米粒、上轉(zhuǎn)換納米粒、磁性納米粒）因其獨特的光學(xué)、磁學(xué)或電學(xué)性質(zhì)，被用作高靈敏度的成像探針。優(yōu)勢在于：提供比傳統(tǒng)探針更高的信噪比和更強的信號穿透能力；可實現(xiàn)多模態(tài)成像（如熒光、MRI、PET）；可進行表面功能化以增強靶向性。缺點包括：納米顆粒的生物安全性和長期毒性問題；量子點等材料的熒光猝滅和穩(wěn)定性問題；金納米粒的成像深度受限；合成和表面修飾的復(fù)雜性。六、潛力：AI技術(shù)，特別是機器學(xué)習(xí)（ML）和深度學(xué)習(xí)（DL）算法，能夠處理和分析海量的化學(xué)結(jié)構(gòu)、生物活性數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)序列、醫(yī)學(xué)影像等信息，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在藥物發(fā)現(xiàn)中，AI可用于虛擬篩選化合物庫、預(yù)測藥物靶點相互作用、設(shè)計新型藥物分子結(jié)構(gòu)；在化學(xué)生物傳感中，AI可幫助優(yōu)化傳感器設(shè)計、分析復(fù)雜的傳感數(shù)據(jù)、建立預(yù)測模型；在生物材料設(shè)計中，AI可以根據(jù)性能需求預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系，指導(dǎo)新材料的設(shè)計與合成。AI還能應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像分析（如腫瘤檢測、分期）、疾病風(fēng)險預(yù)測、個性化治療方案推薦等。面臨的挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的限制；模型的可解釋性和可靠性問題；算法的泛化能力；跨學(xué)科人才的缺乏；高昂的計算資源需求；倫理和法規(guī)問題（如數(shù)據(jù)隱私、算法偏見）；臨床轉(zhuǎn)化中的驗證和監(jiān)管挑戰(zhàn)。七、金屬有機框架（MOFs）材料的潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之一是藥物儲存與釋放載體。MOFs是由金屬離子或簇與有機配體自組裝形成的具有高度孔隙性和可設(shè)計性晶態(tài)多孔材料。其化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響其生物功能：通過選擇合適的金屬節(jié)點和有機配體，可以精確調(diào)控MOFs的孔道尺寸、化學(xué)環(huán)境、表面性質(zhì)和穩(wěn)定性。例如，可以設(shè)計疏水或親水的孔道環(huán)境來容納和穩(wěn)定不同類型的藥物分子；可以通過引入特定的官能團（如酸性基團、堿性位點）來調(diào)節(jié)MOFs在生物體內(nèi)的降解行為和藥物釋放速率；可以通過表面功能化連接靶向分子（如抗體、適配子）實現(xiàn)藥物的靶向遞送。MOFs作為藥物載體具有高載藥量、結(jié)構(gòu)可調(diào)、可生物降解（或設(shè)計成可降解）等優(yōu)點，在腫瘤治療、疫苗佐劑、緩控釋制劑等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。八、化學(xué)方法在基因編輯技術(shù)（如CRISPR）的應(yīng)用或輔助方面的新探索包括：1.化學(xué)修飾CRISPR相關(guān)蛋白：通過化學(xué)手段修飾CRISPR系統(tǒng)的關(guān)鍵組分（如Cas9蛋白），可以改變其活性、特異性或穩(wěn)定性。例如，利用化學(xué)偶聯(lián)物或蛋白質(zhì)工程結(jié)合小分子藥物，實現(xiàn)對Cas9蛋白活性（切割或nicking）的精準(zhǔn)調(diào)控，或改變其DNA結(jié)合偏好性，從而實現(xiàn)更精確的基因編輯或進行“基因修正”（genecorrection）而非簡單的切割。2.開發(fā)化學(xué)“基因剪刀”：研究具有類似CRISPR功能的非核酸酶的化學(xué)工具，利用天然或設(shè)計的分子識別元件（如適配體、蛋白質(zhì)）結(jié)合靶DNA序列，再通過化學(xué)基團（如DNA酶、RNA酶模擬物、交聯(lián)劑）實現(xiàn)對特定基因的切割或修飾，作為核酸酶的替代或補充。3.化學(xué)方法提高遞送效率與安全性：CRISPR系統(tǒng)（特別是包含核酸的Cas9-sgRNA復(fù)合物）的遞