2025年大學(xué)《生物科學(xué)》專業(yè)題庫——生物材料的仿生設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題備選答案中，只有一個(gè)是符合題意的，請將正確選項(xiàng)的代表字母填在題干后的括號內(nèi)。)1.仿生學(xué)的研究核心是（）。A.對自然現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述B.利用計(jì)算機(jī)模擬生物過程C.模仿生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、原理來設(shè)計(jì)材料和器件D.研究生物體與環(huán)境的相互作用2.在仿生材料設(shè)計(jì)中，模仿荷葉表面結(jié)構(gòu)制備自清潔材料，主要利用了生物表面的（）特性。A.透明度B.彈性C.微結(jié)構(gòu)/超疏水D.導(dǎo)電性3.下列哪種技術(shù)利用生物分子（如酶、核酸）作為催化劑或模板來合成材料？（）A.微流控技術(shù)B.3D生物打印C.酶催化合成/生物催化D.噴墨打印4.用于組織工程支架的材料必須具備良好的生物相容性，這主要意味著材料（）。A.具有很高的機(jī)械強(qiáng)度B.不會被人體免疫系統(tǒng)排斥，能引發(fā)適宜的免疫反應(yīng)C.降解產(chǎn)物無毒性D.具有與天然組織相似的密度5.仿生血管的設(shè)計(jì)需要考慮的主要生物功能是（）。A.光合作用B.血液凝固與纖溶平衡C.呼吸作用D.運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)6.自組裝技術(shù)在仿生材料合成中的主要優(yōu)勢在于（）。A.可以大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)B.可以在溫和條件下（常溫常壓水溶液）制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)C.材料性能高度均一D.設(shè)備成本相對較低7.模板法合成仿生材料時(shí)，選擇生物模板的主要依據(jù)是（）。A.模板的生物活性B.模板具有所需的目標(biāo)微觀/納米結(jié)構(gòu)C.模板的機(jī)械強(qiáng)度D.模板的來源是否容易獲取8.3D生物打印技術(shù)在制造具有復(fù)雜內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的組織工程支架方面的主要優(yōu)勢在于（）。A.打印速度快B.可以精確控制材料的空間分布和結(jié)構(gòu)形態(tài)C.成本低廉D.可打印多種類型的生物材料9.藥物遞送系統(tǒng)中的仿生設(shè)計(jì)，常利用生物體對特定組織的靶向性，例如模仿（）的特性。A.細(xì)胞膜的通透性B.血腦屏障的選擇性C.腫瘤組織的滲透壓D.血液的粘度10.評價(jià)一種仿生水凝膠作為細(xì)胞培養(yǎng)支架的性能時(shí)，以下哪個(gè)指標(biāo)不是關(guān)鍵考察因素？（）A.水合能力（含水量）B.楊氏模量（剛度）C.酶活性D.降解速率二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填寫在橫線上。)1.仿生設(shè)計(jì)策略主要包括形態(tài)仿生、______仿生、功能仿生和______仿生。2.生物材料必須滿足的基本性能要求通常包括生物相容性、______、______和適當(dāng)?shù)慕到庑浴?.利用層層自組裝技術(shù)可以構(gòu)建具有精確______和______的生物材料界面。4.模板法中，生物模板在合成完成后通常需要通過______或______等方式去除。5.仿生骨修復(fù)材料的設(shè)計(jì)需要考慮模仿骨骼的______結(jié)構(gòu)、______結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。6.人工模擬生物體血液的______特性是血代用品研究的重要目標(biāo)之一。7.生物相容性不僅指材料不被排斥，還包括對周圍組織或細(xì)胞無______、無______的生物學(xué)效應(yīng)。8.基于生物礦化的仿生合成方法，利用生物體內(nèi)______調(diào)控?zé)o機(jī)材料形貌和結(jié)構(gòu)的原理。三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。)1.簡述自組裝技術(shù)在合成仿生材料時(shí)的基本原理及其優(yōu)勢。2.何謂“生物相容性”？它包含哪些方面的具體要求？3.與傳統(tǒng)合成材料相比，仿生生物材料在設(shè)計(jì)上有哪些獨(dú)特的考慮因素？4.簡述利用生物模板進(jìn)行仿生材料合成的原理及其潛在優(yōu)勢。四、論述題（每小題10分，共30分。請結(jié)合所學(xué)知識，全面、深入地回答下列問題。)1.論述仿生設(shè)計(jì)思想在開發(fā)用于藥物遞送系統(tǒng)的智能響應(yīng)性材料中的應(yīng)用潛力與挑戰(zhàn)。2.以組織工程支架為例，詳細(xì)分析仿生學(xué)原理是如何指導(dǎo)其材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)的。3.選擇一種你感興趣的具體仿生生物材料（如仿生皮膚、人工視網(wǎng)膜、生物燃料電池等），闡述其設(shè)計(jì)靈感來源、關(guān)鍵制備技術(shù)、主要功能特點(diǎn)及其潛在的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.B5.B6.B7.B8.B9.B10.C二、填空題1.結(jié)構(gòu)，功能2.生物學(xué)性能（或生物功能），力學(xué)性能3.微結(jié)構(gòu)，化學(xué)組成4.去除，提取5.宏觀，微觀/細(xì)胞6.粘度/粘彈性7.炎癥反應(yīng)，致癌8.營養(yǎng)/基質(zhì)/信號分子三、簡答題1.自組裝技術(shù)是指利用分子間相互作用（如氫鍵、范德華力、靜電作用等），在較低能耗下，使分子或超分子自發(fā)地、有序地聚集形成特定結(jié)構(gòu)（如膠束、納米管、超晶格等）的過程。仿生合成中，可利用天然生物分子（如蛋白質(zhì)、核酸）或模擬生物分子識別作用的設(shè)計(jì)分子作為構(gòu)筑模塊，通過自組裝形成具有特定微觀結(jié)構(gòu)（如孔道、層狀結(jié)構(gòu)）或功能的材料。其優(yōu)勢在于可在溫和條件下（如水溶液、生理環(huán)境）制備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可控性強(qiáng)，且可能利用生物體系已有的高效自組裝機(jī)制。2.生物相容性是指材料植入或接觸生物體時(shí)，能夠與生物體及其環(huán)境相互作用，表現(xiàn)出良好適應(yīng)性，不引起嚴(yán)重的組織損傷、功能障礙或免疫排異反應(yīng)的性能。它包含多個(gè)具體要求：①非毒性（降解產(chǎn)物或未降解材料無細(xì)胞毒性、器官毒性）；②免疫兼容性（不引發(fā)強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng)）；③血管相容性（如用于血管時(shí)，不易引發(fā)血栓）；④組織相容性（能與周圍組織良好結(jié)合，不引起過度炎癥或異物反應(yīng)）；⑤適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能（如用于結(jié)構(gòu)支撐時(shí)，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，且能與組織匹配）；⑥降解性（如需作為臨時(shí)支架，應(yīng)能在體內(nèi)按預(yù)期速率和方式降解，降解產(chǎn)物無毒性）；⑦穩(wěn)定性（在儲存和使用過程中保持性能穩(wěn)定）。3.仿生生物材料的設(shè)計(jì)需考慮：①生物功能的模擬：不僅要模仿生物材料的結(jié)構(gòu)，更要模擬其功能，如力學(xué)性能、降解行為、生物活性（如促細(xì)胞附著、分化）等，以滿足特定生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。②微觀/納米結(jié)構(gòu)的精確控制：生物材料的許多關(guān)鍵功能與其微觀或納米尺度結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，設(shè)計(jì)需考慮如何精確復(fù)制或構(gòu)建這些結(jié)構(gòu)。③生物環(huán)境的適應(yīng)性：材料需能在生理環(huán)境中穩(wěn)定工作，并與其他生物分子相互作用。④生物相容性：這是所有生物材料設(shè)計(jì)的核心要求。⑤生物安全性：材料及其降解產(chǎn)物必須對生物體安全。⑥可調(diào)控性：設(shè)計(jì)應(yīng)能根據(jù)具體需求調(diào)整材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能。4.利用生物模板進(jìn)行仿生合成是指利用具有特定形狀、孔隙結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成的天然生物結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞、病毒、花粉、貝殼、骨骼等）作為“模具”或“模板”，在其表面或內(nèi)部引導(dǎo)合成目標(biāo)材料，從而獲得具有類似生物模板結(jié)構(gòu)的仿生材料。其原理是利用生物模板提供的空間約束、結(jié)構(gòu)引導(dǎo)或化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)，使合成材料按照模板的形態(tài)、尺寸、分布或組成進(jìn)行生長。潛在優(yōu)勢在于能夠簡易、高效地制備出具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、精細(xì)表面特征或特定組成的材料，這些結(jié)構(gòu)往往是難以通過傳統(tǒng)方法獲得的，且可能利用生物體系在溫和條件下自組裝的智慧。四、論述題1.仿生設(shè)計(jì)思想在開發(fā)用于藥物遞送系統(tǒng)的智能響應(yīng)性材料中具有巨大潛力。生物體本身具有復(fù)雜的智能響應(yīng)機(jī)制（如對pH、溫度、酶、特定細(xì)胞外信號等的響應(yīng)），仿生這些機(jī)制可以設(shè)計(jì)出能夠感知微環(huán)境變化并智能釋放藥物的載體。例如，模仿細(xì)胞內(nèi)吞作用設(shè)計(jì)納米載體，在特定生理環(huán)境（如腫瘤組織的低pH、高谷胱甘肽濃度）或響應(yīng)外部刺激（如近紅外光、超聲）時(shí)實(shí)現(xiàn)藥物的精確釋放，從而提高療效、降低副作用。挑戰(zhàn)在于：①精確模擬生物過程的復(fù)雜性難度大；②實(shí)現(xiàn)多種內(nèi)外刺激的精確、可調(diào)控的響應(yīng)；③確保載體在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性和在靶點(diǎn)的響應(yīng)特異性；④避免免疫系統(tǒng)的識別和清除；⑤大規(guī)模制備和體內(nèi)應(yīng)用的可行性及安全性。2.仿生學(xué)原理在組織工程支架的設(shè)計(jì)中起著核心指導(dǎo)作用。首先，在材料選擇上，需模仿天然組織的組成和成分，如使用天然高分子（膠原、明膠、殼聚糖等）或其衍生物，或設(shè)計(jì)具有生物相容性、可降解的合成高分子（如PLGA、PCL等）。其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需模仿天然組織的微觀/納米結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞外基質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)（孔徑、孔連通性），以利于細(xì)胞的粘附、增殖、遷移、分化和形成組織。例如，利用3D打印、鹽模板法等構(gòu)建具有特定宏觀形狀和精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支架。再次，在功能實(shí)現(xiàn)上，支架需提供適當(dāng)?shù)牧W(xué)支撐（模仿組織剛度），具備良好的生物相容性（避免免疫排斥和炎癥），并能在體內(nèi)按需降解（使新生組織替代支架）。此外，還可進(jìn)一步整合仿生學(xué)原理，如利用細(xì)胞共培養(yǎng)模擬組織內(nèi)不同細(xì)胞間的相互作用，或利用生物活性因子（如生長因子）仿生信號引導(dǎo)組織再生。3.（示例：仿生皮膚）設(shè)計(jì)靈感來源：天然皮膚作為人體最大的器官，具有多層結(jié)構(gòu)（表皮、真皮、皮下組織），具備感知觸覺、溫度等外部刺激的功能，并具有自修復(fù)能力。仿生皮膚旨在模擬這些結(jié)構(gòu)、功能和性能。關(guān)鍵制備技術(shù)：通常采用水凝膠技術(shù)（如離子凝膠、聚合物網(wǎng)絡(luò)）構(gòu)建類表皮層，利用3D打印或靜電紡絲技術(shù)制備具有梯度孔隙率或多層結(jié)構(gòu)的類真皮層，可能結(jié)合微納纖維、孔洞結(jié)構(gòu)等增加機(jī)械強(qiáng)度和血管化潛力。材料選擇上常使用透明質(zhì)酸、膠原、殼聚糖、硅橡膠等。也可嵌入功能性成分，如神經(jīng)遞質(zhì)、藥物、細(xì)胞等。主要功能特點(diǎn)：具有分層結(jié)構(gòu)，模擬表皮的屏障保護(hù)和感覺功能，以及真皮的機(jī)械支撐和營養(yǎng)傳輸功能；具備一