2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子材料的生物相容性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.材料與生物體接觸后，引發(fā)機體產(chǎn)生一系列生理、生化和病理反應(yīng)的總稱是________。2.通常認為，材料植入體內(nèi)后，其表面會首先吸附一層________，對后續(xù)的細胞附著和生物反應(yīng)起關(guān)鍵作用。3.衡量材料在體內(nèi)外引起細胞損傷程度的常用指標是________。4.對于可降解生物材料，其降解產(chǎn)物必須是________的，不會對機體造成毒性或引起不良免疫反應(yīng)。5.細胞粘附、增殖、遷移和分化是評價材料________的關(guān)鍵生物學(xué)指標。6.在動物實驗中，常用的體內(nèi)生物相容性評價模型包括________植入和________植入。7.材料的表面自由能、粗糙度和化學(xué)組成等物理化學(xué)性質(zhì)會顯著影響其________。8.用于組織工程支架的材料應(yīng)具備良好的________，即能在體內(nèi)有效支持細胞生長和組織再生。9.表面改性是提高材料生物相容性的重要手段，例如通過接枝________等方式增加材料的親水性。10.近年來，基于________的智能響應(yīng)生物材料成為研究熱點，可實現(xiàn)藥物按需釋放等功能。二、名詞解釋（每題4分，共20分）1.生物相容性2.材料降解3.細胞毒性4.血液相容性5.仿生材料三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述材料在生物體內(nèi)引發(fā)的主要不良免疫反應(yīng)類型及其機制。2.簡述體外細胞毒性測試（如MTT法）的基本原理和步驟。3.簡述影響聚合物材料生物相容性的主要因素。4.簡述表面改性提高材料生物相容性的常用方法及其原理。5.簡述組織工程支架材料應(yīng)具備的基本性能要求。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述材料化學(xué)組成與其生物相容性之間的關(guān)系，并以具體實例說明。2.論述生物相容性體內(nèi)評價方法的特點和局限性，并說明選擇合適的動物模型時應(yīng)考慮哪些因素。五、分析題（10分）某研究團隊設(shè)計了一種用于骨修復(fù)的基于聚乳酸（PLA）的復(fù)合材料，通過在PLA基體中摻雜納米羥基磷灰石（HA）顆粒。請分析，該材料的組成設(shè)計對其生物相容性可能產(chǎn)生哪些積極影響？在評價該材料生物相容性時，應(yīng)重點考慮哪些方面的測試？試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.生物相容性2.蛋白質(zhì)3.細胞毒性4.無毒5.細胞相容性6.異種（如：異種皮膚）7.細胞吸附8.生物相容性9.噴涂（或：共混、嫁接等）10.光/熱/pH/酶二、名詞解釋（每題4分，共20分）1.生物相容性：指材料植入或接觸生物系統(tǒng)時，能夠與生物體環(huán)境和諧共存，不引起嚴重的生理功能障礙、組織損傷或免疫排異反應(yīng)，并能完成預(yù)期功能的性能。**解析思路：*定義應(yīng)包含核心要素：材料、生物系統(tǒng)、和諧共存、無嚴重不良反應(yīng)、完成功能。2.材料降解：指生物材料在生物體內(nèi)或模擬體液環(huán)境中，由于物理、化學(xué)或生物作用（如水解、氧化、酶解等）而逐漸分解的過程。**解析思路：*定義需說明主體（材料）、場所（體內(nèi)或模擬體液）、方式（物理化學(xué)生物作用）、結(jié)果（分解）。3.細胞毒性：指材料對活細胞產(chǎn)生損害或抑制其生長和功能的能力。通常通過體外細胞實驗進行評估。**解析思路：*定義需點明對象（活細胞）、影響（損害/抑制生長功能）、評估方式（體外實驗常用于初篩）。4.血液相容性：指材料與血液接觸時，不會引起血液成分（如紅細胞、白細胞、血小板）發(fā)生異常變化，不引發(fā)血栓形成或強烈的免疫反應(yīng)的性能。常用于評價心血管植入物等。**解析思路：*定義需說明接觸對象（血液）、要求（無異常變化、無血栓、無強免疫）、應(yīng)用場景（心血管植入物等）。5.仿生材料：指模仿生物體結(jié)構(gòu)、功能或生命過程而設(shè)計的材料，旨在使其性能更優(yōu)異或更適應(yīng)特定生物環(huán)境。**解析思路：*定義需包含模仿對象（生物體結(jié)構(gòu)功能過程）、設(shè)計目的（性能優(yōu)異/適應(yīng)環(huán)境）、關(guān)鍵特征（模仿）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述材料在生物體內(nèi)引發(fā)的主要不良免疫反應(yīng)類型及其機制。**答案：*主要類型包括：①急性炎癥反應(yīng)：材料被巨噬細胞識別吞噬，釋放炎癥介質(zhì)，導(dǎo)致局部紅腫熱痛；②慢性炎癥與肉芽腫形成：長期刺激或材料無法完全清除，持續(xù)引發(fā)炎癥，形成包囊或肉芽腫；③免疫排異反應(yīng)：當材料被識別為“非我”成分時，引發(fā)適應(yīng)性免疫反應(yīng)，如細胞毒性T細胞攻擊或產(chǎn)生抗體導(dǎo)致材料破壞。機制涉及免疫細胞（巨噬細胞、T細胞、B細胞等）的識別（如通過模式識別受體PRRs或MHC分子）、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎癥介質(zhì)釋放、細胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)等。**解析思路：*首先列出主要類型，然后對每種類型進行簡要描述。最后解釋發(fā)生機制，需提及關(guān)鍵細胞（巨噬細胞、T細胞等）、識別方式（PRRs、MHC）、核心過程（炎癥介質(zhì)、細胞因子、免疫攻擊）。2.簡述體外細胞毒性測試（如MTT法）的基本原理和步驟。**答案：*基本原理：活細胞線粒體中的琥珀酸脫氫酶可將黃色的3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）還原為不溶于水的藍紫色甲臜（Formazan）結(jié)晶。甲臜的量與活細胞數(shù)量成正比。通過測定結(jié)晶物在酶聯(lián)免疫檢測儀（ELISA）中的吸光度，可評估細胞的存活率和增殖情況，從而判斷材料的細胞毒性。*步驟：①細胞準備：制備單細胞懸液，調(diào)整細胞密度；②材料處理：將待測材料與細胞共同培養(yǎng)，設(shè)置不同濃度梯度或不同處理時間；③MTT溶液添加：向各孔加入MTT溶液，孵育一定時間（通常37℃）；④甲臜形成：終止培養(yǎng)，小心吸棄上清液，加入裂解液（如DMSO）溶解結(jié)晶；⑤定量檢測：用酶聯(lián)免疫檢測儀在570nm波長處測定吸光度值；⑥數(shù)據(jù)分析：計算細胞相對活力，比較不同組別，根據(jù)結(jié)果判斷細胞毒性等級。**解析思路：*原理部分要解釋MTT代謝變色的核心生化過程及其與細胞活性的關(guān)聯(lián)。步驟部分要按實驗流程順序，清晰列出關(guān)鍵操作點（細胞、處理、MTT、孵育、裂解、檢測、分析）。3.簡述影響聚合物材料生物相容性的主要因素。**答案：*主要因素包括：①化學(xué)組成：單體類型、分子量大小、分子量分布、側(cè)基、官能團性質(zhì)（酸性、堿性、極性等）直接影響材料的降解速率、水溶性、表面電荷和生物活性；②物理結(jié)構(gòu)：結(jié)晶度、取向度、交聯(lián)度等影響材料的力學(xué)性能、孔隙結(jié)構(gòu)、降解行為和與細胞的相互作用；③表面性質(zhì)：表面能量、粗糙度、化學(xué)組成（表面官能團）、電荷狀態(tài)等是細胞首先接觸的界面，對細胞粘附、增殖、分化及炎癥反應(yīng)至關(guān)重要；④降解行為：降解速率和產(chǎn)物（如酸性代謝物）的種類和量是決定可降解材料生物相容性的關(guān)鍵；⑤穩(wěn)定性：材料在體液環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性，是否會發(fā)生降解、變色、釋放有害物質(zhì)等。**解析思路：*從材料本身（化學(xué)、物理）和界面（表面）、以及材料在體內(nèi)容易發(fā)生的變化（降解）等多個維度進行歸納，覆蓋影響生物相容性的主要方面。4.簡述表面改性提高材料生物相容性的常用方法及其原理。**答案：*常用方法及其原理：①涂層技術(shù)：在材料表面涂覆一層具有良好生物相容性的材料（如生物活性玻璃、聚合物），形成物理屏障，隔絕有害物質(zhì)或提供親生物界面。原理是利用涂層材料的特性改善整體相容性。②表面化學(xué)改性：通過引入親水性基團（如羥基、羧基、酰胺基）、生物活性分子（如多肽、生長因子）、或進行接枝、聚合等，改變表面化學(xué)組成和性質(zhì)。原理是直接調(diào)控表面能量、電荷、親疏水性及生物信號，以利于細胞附著和減輕炎癥。③等離子體處理：利用低溫柔性等離子體（輝光放電）處理材料表面，可刻蝕表面、引入含氧官能團、改變粗糙度，增加表面活性和親水性。原理是物理和化學(xué)作用協(xié)同改善表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)狀態(tài)。④噴涂/燒結(jié)：通過物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）或等離子噴涂等方法，在表面形成一層致密或多孔的改性層。原理是構(gòu)筑新的表面層，改變其成分和結(jié)構(gòu)。**解析思路：*列舉幾種主流方法，對每種方法進行簡要描述，并著重解釋其背后的原理，說明該方法如何通過改變材料的表面特性來達到提高生物相容性的目的。5.簡述組織工程支架材料應(yīng)具備的基本性能要求。**答案：*基本性能要求包括：①生物相容性：無毒、無免疫排斥、無致癌性，能與細胞和周圍組織和諧共存。②可降解性：降解速率與細胞外基質(zhì)（ECM）的再生速率相匹配，降解產(chǎn)物無毒。③適當?shù)牧W(xué)性能：具有足夠的初始強度支撐組織，并能通過力學(xué)刺激引導(dǎo)細胞行為；同時具有一定的柔韌性或可塑性，便于植入。④優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積：提供充足的空間容納細胞和生長因子，利于營養(yǎng)物質(zhì)的輸送和廢物的排出，促進細胞遷移和血管化。⑤生物活性：可負載并緩釋生長因子，或本身具有促進組織再生的生物活性。⑥一定的化學(xué)穩(wěn)定性：在體內(nèi)環(huán)境下穩(wěn)定，不降解過快或釋放有害物質(zhì)。⑦成形性和可加工性：易于加工成所需形狀，并能在植入時保持形狀。**解析思路：*圍繞組織工程支架的核心功能（提供物理支撐、引導(dǎo)再生、傳遞信號），從生物、降解、力學(xué)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)、功能、加工等多個方面列出要求，并簡要說明每項要求的目的。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述材料化學(xué)組成與其生物相容性之間的關(guān)系，并以具體實例說明。**答案：*材料的化學(xué)組成是決定其生物相容性的基礎(chǔ)因素之一。它通過影響材料的表面性質(zhì)、降解行為、代謝產(chǎn)物以及與生物大分子的相互作用，最終決定機體對其的反應(yīng)。具體關(guān)系體現(xiàn)在：①極性/非極性：極性基團（如羥基、羧基）通常使材料表面更具親水性，有利于細胞吸附和蛋白質(zhì)吸附，通常生物相容性更好（如親水性PLA表面比疏水性PCL表面早期細胞相容性更好）。實例：聚乙二醇（PEG）因其大量醚鍵極性，表面能低，具有優(yōu)異的生物相容性和血液相容性，常用于藥物遞送和表面修飾。②官能團：特定的官能團可能具有生物活性，如磷酰膽堿基團是細胞膜的重要組成，具有優(yōu)良的血液相容性；羧基可參與離子鍵形成，影響水合層和細胞附著。實例：聚乳酸（PLA）的降解主要依賴于酯鍵的水解，降解產(chǎn)物是乳酸，是人體正常代謝產(chǎn)物，因此PLA具有良好的生物相容性。③分子量與結(jié)構(gòu)：高分子量材料通常更穩(wěn)定，降解慢；分子量分布影響降解速率的均一性。支鏈、結(jié)晶度等結(jié)構(gòu)因素也影響材料與細胞、蛋白的相互作用。實例：低分子量聚己內(nèi)酯（L-PCL）比高分子量PCL降解更快，在早期可能因酸性代謝物積累而引起炎癥，但其柔韌性更好。④有機/無機成分：摻雜無機相（如HA）可以改變材料的力學(xué)性能、降解速率和生物活性。實例：PLA/HA復(fù)合材料，HA的加入不僅提高了材料的骨引導(dǎo)性（生物活性），也通常改善其生物相容性。**解析思路：*首先闡述化學(xué)組成影響生物相容性的普遍機制（表面、降解、產(chǎn)物、相互作用）。然后分點具體說明不同組成要素（極性、官能團、分子量結(jié)構(gòu)、有無機成分）的作用。最后結(jié)合具體材料實例（PEG、PLA、PCL、PLA/HA）來印證這些關(guān)系，使論述更具說服力。2.論述生物相容性體內(nèi)評價方法的特點和局限性，并說明選擇合適的動物模型時應(yīng)考慮哪些因素。**答案：*體內(nèi)評價方法是將材料植入動物體內(nèi)，觀察其引起的全身和局部反應(yīng)，是評估材料生物相容性的最終、最可靠的途徑。其特點：①真實性高：能在復(fù)雜的生理環(huán)境中評價材料與整個生物系統(tǒng)的相互作用，結(jié)果更接近實際應(yīng)用情況。②全面性：能評估材料的全身毒性、局部組織反應(yīng)、免疫反應(yīng)、長期穩(wěn)定性等體外方法難以全面反映的問題。③權(quán)威性：是法規(guī)審批（如醫(yī)療器械）的必需環(huán)節(jié)。局限性：①操作復(fù)雜、周期長、成本高。②動物種屬差異：不同物種對同種材料的反應(yīng)可能不同，結(jié)果不一定能完全外推到人。③靈敏度有限：對于某些早期或輕微的毒性反應(yīng)可能不易檢測。④難以精確定位作用機制：相比體外實驗，體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，難以明確某一生理過程的具體貢獻。選擇合適的動物模型時，應(yīng)考慮：①材料預(yù)期應(yīng)用部位和功能：選擇的動物應(yīng)與人體在該部位的組織和生理功能有相似性，如用于心血管系統(tǒng)，選用豬或狗可能比小鼠更合適；用于骨修復(fù)，選用新西蘭白兔或狗。②材料預(yù)期應(yīng)用方式（植入、植入期）：短期毒性評價可選小鼠，長期毒性或植入實驗需選用生存期更長的動物如大鼠、狗。③材料預(yù)期應(yīng)用人群：如用于人類，最好選用與人親緣關(guān)系較近的物種（如狗、豬），但成本高、倫理要求也高。④實驗?zāi)康模涸u估急性毒性可選簡單模型，評估長期毒性或免疫原性需更復(fù)雜的模型。⑤法規(guī)要求：某些產(chǎn)品上市需要符合特定法規(guī)要求的動物實驗?zāi)Ｐ秃椭芷?。⑥成本和倫理因素：在滿足科學(xué)要求的前提下，選擇成本相對可控、符合倫理規(guī)范的模型。**解析思路：*首先分析體內(nèi)評價方法的優(yōu)點（真實性、全面性、權(quán)威性）和缺點（復(fù)雜性、成本、種屬差異、機制不清）。然后具體闡述選擇動物模型時應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素，包括應(yīng)用相關(guān)性（部位、功能）、實驗需求（植入期、目的）、法規(guī)倫理、成本效益等，并舉例說明。邏輯清晰，覆蓋選擇模型的決策依據(jù)。五、分析題（10分）**答案：**積極影響分析：1.提高生物相容性：納米HA具有生物活性，表面帶有負電荷，與骨組織中的磷酸鈣成分相似，能更好地被骨細胞（成骨細胞、破骨細胞）識別和吸附，減少材料植入初期的炎癥反應(yīng)和纖維包囊形成，促進材料的骨整合。2.改善力學(xué)性能：HA的加入可以提高PLA復(fù)合材料的抗壓強度和模量，使其更接近天然骨的力學(xué)環(huán)境，增強植入后的初期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性，有利于負載骨組織的生長。3.加速骨愈合：HA是骨骼的主要無機成分，其存在可以為成骨細胞提供附著和生長的支架，并可能作為信號分子或載體釋放骨生長因子，引導(dǎo)骨組織再生，從而