2025年大學(xué)《化學(xué)生物學(xué)》專業(yè)題庫——生物醫(yī)學(xué)工程與人工器官考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.在設(shè)計用于血液接觸的人工器官（如人工心臟瓣膜、血液透析器）時，生物相容性是首要考慮因素。以下哪一項不是理想的血液相容性表現(xiàn)？A.抗凝血性（防止血液凝固）B.低溶血性（減少紅細(xì)胞破壞）C.無細(xì)胞毒性（不損傷血液細(xì)胞）D.高滲透壓（使血液細(xì)胞脫水皺縮）2.組織工程旨在構(gòu)建或修復(fù)受損組織。其中，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）模擬是關(guān)鍵策略之一。以下哪種材料或方法常被用于模擬天然ECM的物理和化學(xué)特性，以引導(dǎo)細(xì)胞行為？A.高分子量聚乙烯B.具有特定孔徑分布的合成多孔硅膠C.包含特定氨基酸序列和糖胺聚糖的天然或重組生物材料D.高濃度的金屬離子溶液3.人工腎（血液透析器）的核心功能是清除血液中的小分子代謝廢物。其核心部件通常采用何類材料制成，以提供巨大的比表面積并允許血液和透析液充分接觸？A.親水性天然橡膠B.軟質(zhì)聚氨酯泡沫C.具有多孔結(jié)構(gòu)的半透膜（如聚砜、聚丙烯腈）D.不銹鋼金屬網(wǎng)4.在藥物遞送系統(tǒng)應(yīng)用于治療疾病或組織修復(fù)時，利用生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）作為載體具有多重優(yōu)勢。以下哪項不是其主要優(yōu)勢？A.可能具有靶向性，精確遞送至病變部位B.通常具有良好的生物相容性和低免疫原性C.可實現(xiàn)藥物的緩釋或控釋，提高療效并降低副作用D.成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)5.人工心臟瓣膜需要承受持續(xù)不斷的血流沖擊，對其材料的主要力學(xué)要求不包括：A.高強度和韌性，足以承受循環(huán)壓力B.良好的耐磨性，防止長期使用后磨損C.與周圍組織相似的彈性模量，以減少應(yīng)力集中D.極高的化學(xué)穩(wěn)定性，抵抗血液中的各種化學(xué)物質(zhì)侵蝕6.表面改性是改善材料生物相容性的重要手段。以下哪種方法不屬于常見的表面化學(xué)改性技術(shù)？A.活性離子刻蝕B.表面接枝共聚C.氣相沉積D.整體改變材料的化學(xué)組成（如合金成分調(diào)整）7.3D生物打印技術(shù)是組織工程領(lǐng)域的一項突破性進(jìn)展。其主要優(yōu)勢在于能夠構(gòu)建具有：A.均一細(xì)胞密度和隨機排列的細(xì)胞團(tuán)B.復(fù)雜、有序的三維結(jié)構(gòu)，模擬天然組織形態(tài)C.極高硬度和機械強度D.優(yōu)異的導(dǎo)電性能8.人工關(guān)節(jié)（如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)）的長期成功依賴于材料的選擇。哪種材料是目前臨床上最常用的髖關(guān)節(jié)假體材料？A.高密度聚乙烯（作為內(nèi)襯）B.聚丙烯C.鈦合金或其表面涂層D.碳纖維增強復(fù)合材料9.基因治療旨在通過向靶細(xì)胞導(dǎo)入外源基因來治療疾病。在遞送基因的過程中，常需要利用病毒載體。以下哪種病毒載體類型通常被認(rèn)為具有最高的轉(zhuǎn)染效率？A.腺病毒載體B.腺相關(guān)病毒（AAV）載體C.噬菌體載體D.沙門氏菌載體10.生物傳感器利用生物分子（酶、抗體、核酸等）與特定分析物之間的相互作用來產(chǎn)生可測量的信號。以下哪種類型的生物傳感器主要用于檢測小分子代謝物？A.免疫傳感器B.酶傳感器C.適配體傳感器D.DNA微陣列傳感器二、簡答題（每小題5分，共20分。請簡明扼要地回答下列問題）1.簡述細(xì)胞與材料表面相互作用的幾個主要階段。2.解釋什么是生物相容性，并列舉至少三個評價材料生物相容性的體外試驗方法。3.在人工腎血液透析過程中，血液和透析液分別在什么部位流動？它們之間是如何進(jìn)行物質(zhì)交換的？4.簡述生長因子在組織工程中的作用。三、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞以下主題進(jìn)行論述）1.論述選擇用于人工血管的材料需要滿足哪些關(guān)鍵性能要求，并分析這些要求背后的化學(xué)生物學(xué)原理。2.人工肺旨在替代肺的氣體交換功能。請論述其面臨的主要挑戰(zhàn)，并探討化學(xué)生物學(xué)在克服這些挑戰(zhàn)方面可能提供哪些解決方案。3.以一種具體的人工器官（如人工皮膚、人工耳）為例，論述化學(xué)生物學(xué)原理在其設(shè)計、材料選擇和功能實現(xiàn)中的核心作用。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題后括號內(nèi)）1.D*解析思路：理想的血液相容性要求材料能與血液和諧共存，不引起異常反應(yīng)。抗凝血性（A）、低溶血性（B）、無細(xì)胞毒性（C）都是理想表現(xiàn)。高滲透壓（D）會導(dǎo)致細(xì)胞脫水失活，不是理想的血液相容性表現(xiàn)。2.C*解析思路：組織工程的目標(biāo)是模擬天然組織的微環(huán)境。細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）提供結(jié)構(gòu)支撐、信號傳導(dǎo)等。使用包含特定氨基酸序列和糖胺聚糖的天然或重組生物材料（C）可以模擬ECM的化學(xué)信號，引導(dǎo)細(xì)胞附著、增殖和分化。3.C*解析思路：人工腎的核心是透析膜，需要高效進(jìn)行小分子物質(zhì)交換。多孔結(jié)構(gòu)的半透膜（C）能提供巨大的表面積，允許血液和透析液充分接觸，從而高效清除小分子廢物。4.D*解析思路：生物大分子載體（A、B、C）的主要優(yōu)勢是靶向性、生物相容性、緩釋控釋等。這些通常涉及復(fù)雜的化學(xué)和生物學(xué)設(shè)計，成本往往較高（D），易于大規(guī)模生產(chǎn)（D）通常不是這類載體的優(yōu)勢。5.D*解析思路：人工瓣膜需要承受高剪切力、循環(huán)壓力和反復(fù)開關(guān)。要求高強度韌性（A）、耐磨性（B）、與周圍組織相似的彈性模量（C）以減少應(yīng)力集中?；瘜W(xué)穩(wěn)定性（D）雖然重要，但不是最核心的力學(xué)要求，材料還需具備優(yōu)異的力學(xué)性能。6.A*解析思路：表面改性技術(shù)旨在改變材料表面的性質(zhì)?；钚噪x子刻蝕（A）屬于物理刻蝕，改變表面形貌和成分。表面接枝共聚（B）、氣相沉積（C）都是典型的化學(xué)或物理化學(xué)表面改性方法。整體改變材料化學(xué)組成（D）屬于材料本體改性，而非表面改性。7.B*解析思路：3D生物打印的核心優(yōu)勢在于能夠按照設(shè)計精確構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，模擬天然組織在空間上的排列和功能單元（如血管、神經(jīng)）的分布（B）。選項A、C、D描述不準(zhǔn)確。8.C*解析思路：鈦合金（及表面涂層，如氧化鈦、羥基磷灰石）因其優(yōu)異的力學(xué)性能（強度、韌性）、良好的生物相容性和耐腐蝕性，是目前臨床上最廣泛使用的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)假體材料。聚乙烯（A）常用作髖臼杯襯墊。聚丙烯（B）常用于膝關(guān)節(jié)假體或固定裝置。碳纖維復(fù)合材料（D）在骨科應(yīng)用較少。9.A*解析思路：不同病毒載體轉(zhuǎn)染效率不同。腺病毒載體（A）通常提供最高的轉(zhuǎn)染效率，但免疫原性也較強。AAV載體（B）轉(zhuǎn)染效率較高且較安全，但可能受血清干擾。噬菌體載體（C）主要用于感染細(xì)菌。沙門氏菌載體（D）主要用于抗原呈遞。10.B*解析思路：酶傳感器（B）利用酶催化分析物發(fā)生特異性反應(yīng)，產(chǎn)生可測信號，非常適合檢測小分子代謝物（如葡萄糖、尿素、乳酸等）。免疫傳感器（A）檢測抗體/抗原。適配體傳感器（C）利用核酸或蛋白質(zhì)適配體識別分析物。DNA微陣列（D）通常用于檢測多種分析物同時存在的情況。二、簡答題（每小題5分，共20分。請簡明扼要地回答下列問題）1.細(xì)胞與材料表面相互作用的幾個主要階段通常包括：a)初始附著階段：細(xì)胞首先與材料表面接觸并發(fā)生黏附；b)擴(kuò)展和增殖階段：已附著細(xì)胞開始鋪展并增殖；c)功能分化階段：細(xì)胞進(jìn)入特定分化狀態(tài)，執(zhí)行功能；d)合成與重塑階段：細(xì)胞合成細(xì)胞外基質(zhì)，與材料表面相互作用并可能重塑周圍環(huán)境。2.生物相容性是指材料與生物系統(tǒng)（活體組織、血液或體液）相互作用時，不會引起嚴(yán)重的免疫排斥反應(yīng)、毒性反應(yīng)或功能障礙，并能長期穩(wěn)定地存在于體內(nèi)或與生物組織和諧共存。評價材料生物相容性的體外試驗方法包括：a)細(xì)胞毒性試驗（如MTT法）；b)皮膚致敏試驗（替代方法）；c)急性毒性試驗（細(xì)胞或組織模型）；d)血液相容性試驗（如溶血試驗）；e)免疫原性相關(guān)試驗（如細(xì)胞因子釋放檢測）。3.在人工腎血液透析過程中，血液在透析器的半透膜內(nèi)部流動，通常通過管路引導(dǎo)。透析液（通常是電解質(zhì)溶液）在半透膜外部流動，通常通過另外的管路循環(huán)。物質(zhì)交換基于濃度梯度，通過半透膜的彌散原理進(jìn)行：血液中濃度較高的代謝廢物（如尿素、肌酐）通過半透膜擴(kuò)散到濃度較低的透析液中而被清除；同時，血液中的電解質(zhì)會根據(jù)濃度梯度向透析液中移動，而透析液中某些離子（如鈉、鉀、氯、鈣、鎂）會擴(kuò)散進(jìn)入血液。4.生長因子是在細(xì)胞增殖、分化、遷移和基質(zhì)重塑等過程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用的生物活性多肽。在組織工程中，它們的作用包括：a)促進(jìn)種子細(xì)胞的增殖和存活；b)引導(dǎo)種子細(xì)胞向特定細(xì)胞類型分化；c)促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成與沉積，構(gòu)建組織結(jié)構(gòu)；d)促進(jìn)血管化，為組織提供血液供應(yīng)；e)調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移，引導(dǎo)組織修復(fù)或再生。三、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞以下主題進(jìn)行論述）1.選擇用于人工血管的材料需要滿足一系列關(guān)鍵性能要求，這些要求源于化學(xué)生物學(xué)對生理環(huán)境和材料相互作用的理解。首先，優(yōu)異的生物相容性是首要前提。材料必須能抵抗血液的凝固和血栓形成（抗凝血性），不引起血管壁的炎癥和內(nèi)皮細(xì)胞的損傷。這通常要求材料表面具有合適的潤濕性、低粗糙度，并能有效抑制血小板粘附和聚集（如通過表面改性引入肝素或其他抗凝分子，或模擬內(nèi)皮細(xì)胞環(huán)境）。這涉及到材料表面化學(xué)性質(zhì)（如電荷、官能團(tuán)）與血液蛋白（如凝血因子、纖維蛋白原、補體系統(tǒng)）以及血細(xì)胞（特別是血小板）相互作用的化學(xué)生物學(xué)原理。其次，良好的力學(xué)性能至關(guān)重要。人工血管需要承受循環(huán)血液產(chǎn)生的壓力和剪切力，尤其是在彎曲或分支部位。材料必須具備足夠的強度、韌性和彈性，以維持血管形態(tài)，防止破裂或過度擴(kuò)張，并與宿主血管的力學(xué)特性相匹配，以減少界面處的應(yīng)力集中。這要求材料具有與宿主血管相似的彈性模量，并能在生理壓力下保持穩(wěn)定，這涉及到材料的宏觀力學(xué)行為及其微觀結(jié)構(gòu)（如結(jié)晶度、分子鏈排列）。再次，耐久性和抗疲勞性也是關(guān)鍵。人工血管作為植入式器件，需要長期在體內(nèi)穩(wěn)定工作。材料應(yīng)具有高耐磨性（防止表面涂層或內(nèi)皮細(xì)胞層快速破壞），耐腐蝕性（抵抗血液中各種化學(xué)物質(zhì)和酶的侵蝕），并能在長期循環(huán)應(yīng)力下保持力學(xué)性能穩(wěn)定（抗疲勞性）。這涉及到材料本身的化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性以及抵抗降解的能力。最后，適當(dāng)?shù)纳锟山到庑曰蚩晌招裕▽τ谀承┡R時或輔助性人工血管）也是一個要求。材料應(yīng)能在完成其功能后，按預(yù)期速率緩慢降解，被身體吸收或排出，最終不留永久性異物。這要求材料具有良好的降解動力學(xué)和降解產(chǎn)物毒性可控。綜上所述，人工血管材料的選擇是綜合考慮了生物相容性（源于表面化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)）、力學(xué)性能（源于材料科學(xué)）、耐久性（源于化學(xué)穩(wěn)定性和材料科學(xué)）以及生物可降解性（源于材料科學(xué)和生物相容性）等多方面因素的結(jié)果，核心是滿足化學(xué)生物學(xué)對“異物反應(yīng)”和“生理環(huán)境兼容”的要求。2.人工肺旨在替代肺進(jìn)行氣體交換（氧氣吸入和二氧化碳排出），其面臨的主要挑戰(zhàn)巨大，直接關(guān)系到患者的生存率和生活質(zhì)量。主要挑戰(zhàn)包括：a)高效的氣體交換效率：需要極高的氣體交換面積（約100平方米）和極薄的氣體擴(kuò)散距離，以實現(xiàn)與血液中高濃度二氧化碳和低濃度氧氣的快速交換。b)防止血栓形成：血液長時間接觸人工肺表面極易引發(fā)血栓，堵塞微血管，導(dǎo)致栓塞，危及生命。c)免疫和炎癥反應(yīng)：異物植入可能引發(fā)強烈的免疫和炎癥反應(yīng)，損傷肺泡毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞。d)生物相容性：材料表面需要能支持肺泡II型細(xì)胞的功能，維持肺泡表面的穩(wěn)定性，防止表面活性物質(zhì)丟失。e)氧中毒：長時間高濃度氧暴露可能導(dǎo)致肺組織和全身性氧中毒。f)設(shè)備大小、重量和便攜性：尤其對于便攜式或家庭用體外膜肺（ECMO）系統(tǒng)，要求設(shè)備輕便、噪音低?；瘜W(xué)生物學(xué)在克服這些挑戰(zhàn)方面提供了多種解決方案或研究思路：a)表面改性：利用化學(xué)方法（如接枝親水性聚合物、含糖基團(tuán)物質(zhì)、抗凝血物質(zhì)如肝素或他汀類藥物）或物理方法（如仿生涂層、超親水表面）改造人工肺膜材料表面，降低血液粘附性，抑制血小板聚集和血栓形成，提高生物相容性。這涉及到表面化學(xué)、材料生物學(xué)和流體力學(xué)知識的結(jié)合。b)新型膜材料設(shè)計：開發(fā)具有更大比表面積、更薄厚度、更均勻孔徑分布、更優(yōu)異氣體滲透性的膜材料（如硅基膜、靜電紡絲膜、雜化膜），以提升氣體交換效率。c)仿生設(shè)計：模擬天然肺泡的結(jié)構(gòu)和功能，例如構(gòu)建包含類細(xì)胞外基質(zhì)成分的膜，或整合生長因子以支持內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡細(xì)胞的存活與功能，維持肺泡表面活性。d)微流控技術(shù)應(yīng)用：設(shè)計微流控人工肺，通過精確控制血液和氣體的流動狀態(tài)，改善傳質(zhì)效率，減少湍流，可能有助于減輕剪切應(yīng)力對血細(xì)胞的損傷，并優(yōu)化氣體交換。e)智能響應(yīng)材料：開發(fā)能感知血液成分變化（如pH、氧分壓）并作出相應(yīng)調(diào)整（如改變表面電荷或親疏水性）的智能材料，動態(tài)調(diào)控凝血和抗凝狀態(tài)。3.以人工皮膚為例，化學(xué)生物學(xué)原理在其設(shè)計、材料選擇和功能實現(xiàn)中發(fā)揮著核心作用。人工皮膚旨在替代或修復(fù)受損皮膚，需要具備保護(hù)、屏障、感覺和一定的修復(fù)功能。在設(shè)計上，人工皮膚需要模擬天然皮膚的分層結(jié)構(gòu)，通常包含三層：靠近表皮的致密、有彈性的表皮層；模擬真皮結(jié)構(gòu)和功能的真皮層；以及必要的皮下組織層或附著力層?；瘜W(xué)生物學(xué)指導(dǎo)了各層的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，表皮層需要透明、致密、有彈性，材料通常選擇透明質(zhì)酸、膠原、殼聚糖等生物相容性好的聚合物，