2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——生物醫(yī)用材料的表面修飾技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是評價(jià)生物醫(yī)用材料表面生物相容性的關(guān)鍵指標(biāo)？A.血液相容性B.組織相容性C.細(xì)胞毒性D.降解速率2.希望通過表面改性顯著降低材料表面能，以減少蛋白質(zhì)非特異性吸附，常采用的方法是？A.提高表面粗糙度B.引入帶負(fù)電荷的官能團(tuán)C.進(jìn)行惰性化處理（如鍍金）D.增加表面親水性3.利用低能離子轟擊材料表面，使表面原子濺射出去，同時(shí)引入新物質(zhì)，該技術(shù)屬于？A.化學(xué)氣相沉積（CVD）B.溶膠-凝膠法C.等離子體表面處理D.離子濺射4.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料表面的？A.元素組成和化學(xué)態(tài)B.表面形貌和粗糙度C.介電常數(shù)和折射率D.熱穩(wěn)定性和降解行為5.對于需要長期植入人體的金屬植入物，表面修飾的首要目標(biāo)通常是？A.增強(qiáng)耐磨性B.實(shí)現(xiàn)超親水性C.獲得良好的生物相容性和骨整合能力D.改善導(dǎo)電性能6.在組織工程支架的表面進(jìn)行改性，以促進(jìn)特定類型細(xì)胞粘附和生長，這主要是為了？A.增強(qiáng)支架的機(jī)械強(qiáng)度B.提高藥物的緩釋速率C.實(shí)現(xiàn)材料的快速降解D.模擬天然組織的微環(huán)境，引導(dǎo)組織再生7.紫外光（UV）照射用于材料表面改性，其主要作用機(jī)制是？A.引起材料表面原子濺射B.通過化學(xué)反應(yīng)在表面沉積或接枝新層C.利用高能光子破壞材料表面化學(xué)鍵D.產(chǎn)生等離子體效應(yīng)8.血液相容性是指材料與血液接觸時(shí)，不會引起明顯的？A.血細(xì)胞凝集B.血小板粘附C.血清蛋白變性D.持續(xù)的炎癥反應(yīng)9.激光處理用于生物醫(yī)用材料表面改性，其主要優(yōu)勢可能包括？A.改改性層與基體的結(jié)合力B.實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的精確修飾C.低溫處理，避免熱損傷D.以上都是10.下列哪種表面修飾技術(shù)通常適用于對生物相容性要求極高且需長期穩(wěn)定的植入式醫(yī)療器械？A.紫外光照射接枝B.噴涂生物活性涂層C.等離子體處理形成氧化層D.表面化學(xué)刻蝕二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.表面改性旨在改善生物醫(yī)用材料與生物環(huán)境的相互作用，從而提高其__________、__________和__________等性能。2.表面自由能是衡量材料表面狀態(tài)的重要物理量，通常用__________、__________和__________等參數(shù)來描述。3.原子力顯微鏡（AFM）可以測量材料表面的__________和__________，為研究表面改性后的微觀形貌提供依據(jù)。4.血液接觸材料時(shí)，會發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，形成穩(wěn)定的__________層，這是評價(jià)血液相容性的關(guān)鍵。5.溶膠-凝膠法是一種在低溫下制備__________、__________涂層的常用化學(xué)方法，操作簡便，易于控制。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述表面改性改善金屬生物醫(yī)用材料血液相容性的基本原理。2.比較化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）在表面改性方面的主要區(qū)別。3.簡述蛋白質(zhì)在材料表面的吸附過程及其對材料生物性能的影響。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述表面粗糙度對生物醫(yī)用材料表面生物性能（如細(xì)胞粘附、增殖、組織整合）的影響機(jī)制。2.以一種具體的生物醫(yī)用材料（如鈦合金、高分子聚合物、陶瓷材料中的任一種）為例，闡述其表面修飾的必要性、常用方法及其在特定應(yīng)用（如骨科、心血管、組織工程）中的作用。五、材料題（10分）某課題組希望開發(fā)一種用于骨組織工程的自愈合可降解鎂合金支架材料。請結(jié)合鎂合金的腐蝕特性和骨組織再生的需求，提出至少三種表面修飾方案，并簡要說明每種方案的設(shè)計(jì)思路和預(yù)期效果。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.A5.C6.D7.B8.D9.D10.C二、填空題1.生物相容性，血液相容性，組織相容性2.表面能，表面電荷，表面形貌3.粗糙度，高度4.血流蛋白5.陶瓷，玻璃三、簡答題1.解析思路：金屬表面通常帶有正電荷且較為光滑，容易引發(fā)血液接觸時(shí)的蛋白質(zhì)吸附和血細(xì)胞凝集，表現(xiàn)出較差的血液相容性。表面改性可以通過以下原理改善：①降低表面能：引入親水基團(tuán)或增加粗糙度，減少蛋白質(zhì)非特異性吸附和血栓形成。②改變表面電荷：引入負(fù)電荷（如羧基、磺酸基）中和正電荷，或形成帶正電荷層，調(diào)控蛋白質(zhì)吸附種類和數(shù)量，抑制血栓。③形成生物活性涂層：沉積羥基磷灰石等生物活性物質(zhì)，模擬天然骨表面，誘導(dǎo)骨整合。④模擬超親水表面：利用特殊結(jié)構(gòu)或材料，極大降低表面能，有效阻止蛋白質(zhì)吸附層形成，保持長期血液相容性。2.解析思路：CVD和PVD都是氣相沉積技術(shù)，但原理和特點(diǎn)不同。CVD是利用氣體源，在加熱或等離子體作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基材表面沉積固體薄膜，反應(yīng)副產(chǎn)物通常需要去除；通常沉積速率較慢，設(shè)備相對簡單，可沉積復(fù)雜成分薄膜，但可能引入雜質(zhì)，均勻性控制較難。PVD是物理過程，如蒸發(fā)、濺射，將靶材原子或離子轟擊出來并沉積到基材表面；通常是物理過程，膜層致密性、附著力通常較好，純度高，均勻性相對容易控制，設(shè)備較復(fù)雜，成本較高。選擇哪種方法取決于對膜層成分、結(jié)構(gòu)、附著力、均勻性以及生產(chǎn)成本的要求。3.解析思路：蛋白質(zhì)在材料表面的吸附是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過程，主要包括：①擴(kuò)散：蛋白質(zhì)分子從溶液中向材料表面擴(kuò)散。②吸附：蛋白質(zhì)分子與材料表面發(fā)生物理或化學(xué)相互作用（如范德華力、靜電引力、疏水相互作用）停留在表面。③重構(gòu)/去折疊：蛋白質(zhì)分子在表面非均衡力場作用下可能發(fā)生構(gòu)象變化。④形成吸附層：蛋白質(zhì)分子聚集形成穩(wěn)定的吸附層。蛋白質(zhì)吸附是材料與生物環(huán)境相互作用的第一步，其種類、數(shù)量和構(gòu)象直接影響材料的生物性能。例如，過多的蛋白質(zhì)吸附可能導(dǎo)致凝血，吸附的蛋白質(zhì)種類不同可能引發(fā)不同的細(xì)胞信號，吸附后蛋白質(zhì)的構(gòu)象改變可能影響其生物活性，從而影響細(xì)胞粘附、增殖、分化乃至免疫反應(yīng)。四、論述題1.解析思路：表面粗糙度對生物性能的影響是雙面的，存在一個(gè)最優(yōu)值范圍。①微觀力學(xué)：適度的粗糙度可以增加材料表面的實(shí)際接觸面積，提高機(jī)械嵌合力，從而增強(qiáng)表面涂層或基體的附著力，也增加應(yīng)力分布的均勻性，可能提高耐磨性和抗疲勞性。②表面能：粗糙表面可以增加材料與周圍環(huán)境的接觸面積，影響表面自由能，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的吸附行為和細(xì)胞粘附。③細(xì)胞行為：粗糙表面的幾何特征（如峰高、谷深、紋理方向）可以影響細(xì)胞形態(tài)、遷移路徑、鋪展行為和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。適度的粗糙度能提供更多附著位點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和分化，引導(dǎo)組織沿特定方向生長（如骨長入）。過于光滑的表面不利于細(xì)胞粘附和識別；過于粗糙的表面可能導(dǎo)致細(xì)胞難以鋪展、形成微裂紋或影響細(xì)胞遷移。因此，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求優(yōu)化表面粗糙度。2.解析思路：以鈦合金為例。①必要性：純鈦具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性和生物相容性，但天然鈦表面是惰性的鈦氧化物層，與骨組織的結(jié)合力較弱（類似骨水泥），容易發(fā)生微動(dòng)松脫。為了實(shí)現(xiàn)骨整合（即鈦與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵合），需要通過表面改性提高鈦表面的生物活性。②常用方法：a)激光處理：利用激光誘導(dǎo)表面微熔融重結(jié)晶，形成更致密、粗糙度更高的氧化鈦層，或通過激光沖擊波產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高涂層結(jié)合力。b)等離子體噴涂/離子注入：在鈦表面沉積羥基磷灰石（HA）等生物活性涂層，或注入鍶、磷等元素，提高生物活性。c)溶膠-凝膠法：制備含磷酸鈣或生物活性物質(zhì)的凝膠涂層，低溫制備，均勻性好。d)表面陽極氧化：形成納米結(jié)構(gòu)化的TiO2薄膜，增加表面面積和活性位點(diǎn)。③特定應(yīng)用（骨科）：改性后的鈦合金表面能更好地與骨組織發(fā)生化學(xué)鍵合（骨整合），減少植入物周圍骨吸收和炎癥反應(yīng)，提高植入的成功率和長期穩(wěn)定性，促進(jìn)骨愈合。例如，用于制作人工關(guān)節(jié)、骨釘、骨板等。3.解析思路：以高分子聚合物（如聚乳酸PLA、聚己內(nèi)酯PCL）為例。①必要性：高分子聚合物作為組織工程支架或植入物，往往具有優(yōu)異的生物相容性和可降解性，但天然狀態(tài)下的表面通常非常光滑、疏水，缺乏生物活性信號，難以滿足特定應(yīng)用需求。例如，作為骨支架，需要促進(jìn)骨細(xì)胞粘附、增殖和礦化；作為血管支架，需要防止血栓形成。表面改性旨在賦予材料特定的表面特性以滿足這些需求。②常用方法：a)表面化學(xué)改性：通過接枝、涂覆、等離子體處理等方法引入親水基團(tuán)（如羥基、羧基）、生物活性分子（如RGD多肽、生長因子）、細(xì)胞粘附因子等。b)表面物理改性：通過激光、紫外光、離子轟擊等改變表面形貌（增加粗糙度）、成分（形成氧化層或沉積其他材料）。③特定應(yīng)用（組織工程支架）：改性旨在構(gòu)建模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的微環(huán)境。例如，通過接枝聚乙二醇（PEG）提高支架的親水性和長期穩(wěn)定性，減少細(xì)胞粘附以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞懸浮培養(yǎng)；通過引入RGD肽促進(jìn)成骨細(xì)胞或成纖維細(xì)胞粘附和增殖；通過引入生長因子促進(jìn)特定細(xì)胞分化和組織再生；通過調(diào)整表面電荷和粗糙度調(diào)控細(xì)胞行為和命運(yùn)。③特定應(yīng)用（血管支架）：改性旨在防止血栓。例如，通過紫外線照射接枝肝素或他汀類藥物，抑制血小板粘附和聚集；通過表面致密化或引入抗血栓涂層，維持血管暢通。五、材料題解析思路：自愈合鎂合金支架材料面臨的主要挑戰(zhàn)是鎂的快速腐蝕和自燃，以及需要促進(jìn)骨整合。表面修飾應(yīng)圍繞這兩個(gè)核心問題展開。1.形成致密、穩(wěn)定的鈍化層：通過化學(xué)轉(zhuǎn)化膜（如鉻酸鹽、磷酸鹽、氟化物處理）、陽極氧化或等離子體噴涂等方法，在鎂表面形成一層致密、附著力好、耐腐蝕的氧化物或復(fù)合涂層，有效抑制鎂的腐蝕和自燃，為骨細(xì)胞提供相對穩(wěn)定的附著和生長環(huán)境。2.引入骨引導(dǎo)和骨誘導(dǎo)信號：在上述穩(wěn)定涂層基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過溶膠-凝膠法、等離子體噴涂或?qū)訉幼越M裝等技術(shù)，在表面沉積羥基磷灰石（HA）或其他生物活性陶瓷涂層，提供骨引導(dǎo)作用。同時(shí)，可以考慮負(fù)載磷酸鈣沉淀物（BCP）或直接負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）等生長因子，實(shí)現(xiàn)骨誘導(dǎo)，促進(jìn)鎂合金支架與骨組織的直接結(jié)合和骨再生。3.優(yōu)化表面形貌：通過激光