2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——碳納米棒的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.與多壁碳納米管（MWCNTs）相比，單壁碳納米管（SWCNTs）通常具有更強(qiáng)的（）。A.水溶性B.機(jī)械柔韌性C.理論比表面積D.室溫下的導(dǎo)電性2.為了提高碳納米管（CNTs）在生物體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間并降低其免疫原性，常用的表面改性方法是（）。A.高溫碳化B.稀酸氧化C.接枝親水性聚合物（如聚乙二醇）D.與金屬離子離子交換3.利用碳納米管作為藥物載體實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向遞送，通常依賴于其表面修飾的（）。A.高反應(yīng)活性B.特定光學(xué)性質(zhì)C.與腫瘤細(xì)胞表面特定受體結(jié)合的配體D.強(qiáng)烈的磁場(chǎng)響應(yīng)4.在碳納米管生物成像應(yīng)用中，利用其透射電鏡成像能力進(jìn)行活細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，主要利用的是其（）。A.光學(xué)吸收特性B.電子衍射效應(yīng)C.高比表面積D.順磁性5.碳納米管在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中可能引起的細(xì)胞毒性機(jī)制主要包括（）。A.誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡B.產(chǎn)生氧化應(yīng)激C.干擾細(xì)胞周期D.以上都是6.碳納米管用于組織工程支架材料時(shí)，其優(yōu)勢(shì)在于（）。A.極高的力學(xué)強(qiáng)度B.良好的生物相容性C.可生物降解性D.以上都是7.碳納米管的比表面積是限制其作為高效吸附劑用于生物傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。（）對(duì)錯(cuò)8.將碳納米管用于光熱療法（PTT）治療腫瘤時(shí)，主要利用的是其（）。A.在特定波長(zhǎng)光激發(fā)下產(chǎn)生熱量B.能有效穿透腫瘤組織C.能特異性靶向癌細(xì)胞D.能抑制腫瘤血管生成9.碳納米管在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)之一是其在體內(nèi)的長(zhǎng)期行為（如代謝、排泄）難以預(yù)測(cè)。（）對(duì)錯(cuò)10.功能化碳納米管（如經(jīng)過(guò)氧化或氨基硅烷處理）通常比pristine（未處理）碳納米管具有更好的水溶性。（）對(duì)錯(cuò)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.碳納米管的基本結(jié)構(gòu)單元是________，根據(jù)其壁層數(shù)不同，可分為________和________。2.通過(guò)________或________等化學(xué)方法可以增加碳納米管表面的含氧官能團(tuán)，改善其水溶性。3.碳納米管作為藥物載體時(shí)，實(shí)現(xiàn)藥物控釋的一種策略是利用其________或________特性。4.在利用碳納米管進(jìn)行熒光成像時(shí)，通常需要對(duì)其表面進(jìn)行________處理以避免背景干擾。5.評(píng)估碳納米管生物安全性的體外方法中，常用的細(xì)胞模型包括________和________。6.碳納米管能夠增強(qiáng)光吸收的能力，使其在光動(dòng)力療法（PDT）中具有潛在應(yīng)用價(jià)值，這主要?dú)w因于其優(yōu)異的________和________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述碳納米管（CNTs）具有良好生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景的主要原因。2.簡(jiǎn)述碳納米管表面官能化對(duì)其生物相容性的影響機(jī)制。3.簡(jiǎn)述碳納米管在生物傳感領(lǐng)域可能的應(yīng)用方向及其優(yōu)勢(shì)。4.簡(jiǎn)述碳納米管在體內(nèi)可能引起生物安全性的主要擔(dān)憂。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述碳納米管在提高腫瘤治療效果方面，實(shí)現(xiàn)“診療一體化”（Theranostics）的潛在機(jī)制和挑戰(zhàn)。2.論述如何通過(guò)化學(xué)方法對(duì)碳納米管進(jìn)行表面功能化，以同時(shí)滿足其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的高效靶向、良好生物相容性和穩(wěn)定體內(nèi)循環(huán)等要求。3.論述碳納米管的規(guī)?；苽鋵?duì)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用可能帶來(lái)的影響和挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.D解析：SWCNTs通常具有更小的直徑和更長(zhǎng)的軸向，理論上具有更高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，但與MWCNTs相比，其機(jī)械柔韌性可能稍遜，水溶性和理論比表面積并非絕對(duì)更強(qiáng)。室溫下的導(dǎo)電性通常與管壁結(jié)構(gòu)、缺陷和摻雜有關(guān)，SWCNTs的導(dǎo)電性可以很高，但并非普遍強(qiáng)于所有MWCNTs。在多種特性中，導(dǎo)電性常被認(rèn)為是SWCNTs的突出優(yōu)點(diǎn)之一，故選D。2.C解析：接枝親水性聚合物（如聚乙二醇，PEG）是常用的表面改性方法。PEG鏈可以屏蔽CNTs表面電荷，減少蛋白質(zhì)吸附，從而延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間并降低免疫原性，提高生物相容性。高溫碳化是制備過(guò)程，稀酸氧化增加含氧官能團(tuán)，與降低免疫原性目標(biāo)不符。離子交換是另一種改性方式，但PEG修飾效果更直接針對(duì)生物相容性。3.C解析：腫瘤靶向遞送的核心在于使藥物載體能夠選擇性地富集在腫瘤部位。這通常通過(guò)在CNTs表面修飾能夠與腫瘤細(xì)胞表面特定受體（如葉酸受體、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體）特異性結(jié)合的配體（如葉酸、轉(zhuǎn)鐵蛋白）來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成類似“導(dǎo)彈”的模式，將藥物精確遞送到目標(biāo)腫瘤細(xì)胞。4.B解析：利用碳納米管（尤其是金屬填充的或具有特定缺陷的碳納米管）在透射電鏡下的高對(duì)比度和襯度進(jìn)行活細(xì)胞成像，主要是利用了其獨(dú)特的電子衍射效應(yīng)和與電子束相互作用的能力，使其在顯微鏡下可見(jiàn)。這與其光學(xué)吸收、比表面積或磁性無(wú)關(guān)。5.D解析：碳納米管在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中可能引起的毒性機(jī)制是多方面的，包括物理刺激（如尺寸效應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力）、化學(xué)效應(yīng)（如表面官能團(tuán)帶來(lái)的氧化應(yīng)激、金屬離子浸出）、以及引發(fā)的生物效應(yīng)（如DNA損傷、細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)等）。因此，A、B、C都是可能的毒性機(jī)制。6.D解析：碳納米管作為組織工程支架材料時(shí)，其優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度（源于碳碳鍵的強(qiáng)度）、良好的生物相容性（可通過(guò)表面改性改善）以及一定的可生物降解性（某些類型CNTs或其復(fù)合材料）是其優(yōu)勢(shì)，這些特性使其能夠提供力學(xué)支持、引導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生。7.對(duì)解析：生物傳感器的核心在于高效的信號(hào)轉(zhuǎn)換。碳納米管具有極高的比表面積和獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)，能夠提供巨大的表面積用于吸附目標(biāo)分析物，并且易于與電化學(xué)或光學(xué)檢測(cè)設(shè)備集成，從而提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。8.A解析：光熱療法（PTT）利用光敏材料（或本身吸光材料，如碳納米管）在特定波長(zhǎng)（通常是近紅外光）光激發(fā)下產(chǎn)生熱量，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，局部升高腫瘤組織溫度，導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡。因此，關(guān)鍵在于CNTs能在特定光波長(zhǎng)下高效吸收光能并產(chǎn)熱。9.對(duì)解析：碳納米管作為新型納米材料，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)以及在體內(nèi)的相互作用機(jī)制尚未完全闡明。它們?cè)隗w內(nèi)的代謝途徑、長(zhǎng)期滯留部位、潛在的遠(yuǎn)期毒性（如遺傳毒性、器官損傷）等問(wèn)題仍存在許多不確定性，是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的重大挑戰(zhàn)。10.對(duì)解析：pristine（未處理）碳納米管通常具有疏水性。通過(guò)化學(xué)方法如強(qiáng)酸氧化或氨基硅烷等表面改性處理，可以在CNTs表面引入大量的含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基）或含氮官能團(tuán)（如氨基），這些極性官能團(tuán)可以增加CNTs表面的親水性，顯著改善其在水溶液中的分散性和穩(wěn)定性。二、填空題1.圓柱狀石墨烯片；單壁碳納米管；多壁碳納米管解析：碳納米管是由單層或多層卷曲的石墨烯片形成的圓柱狀結(jié)構(gòu)。2.氧化；功能化（如氨基硅烷處理）解析：常見(jiàn)的增加CNTs水溶性的化學(xué)方法包括引入含氧官能團(tuán)（氧化）或引入含氮/含硫等其他雜原子官能團(tuán)（功能化，如氨基硅烷）。3.離子層吸附；pH響應(yīng)解析：可以通過(guò)靜電作用（離子層吸附）或利用CNTs表面官能團(tuán)/負(fù)載藥物在不同pH環(huán)境下的性質(zhì)變化（pH響應(yīng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物的釋放控制。4.磁性氧化鐵納米顆粒修飾（或其他有效屏蔽方法）解析：為了避免CNTs自身或其他同時(shí)使用的造影劑（如磁性納米顆粒）帶來(lái)的背景熒光或信號(hào)干擾，需要對(duì)用于熒光成像的碳納米管進(jìn)行表面修飾，常用的是用磁性氧化鐵納米顆粒等不發(fā)光物質(zhì)進(jìn)行包覆或核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。5.人類細(xì)胞系（如HEK293,CHO）；小鼠成纖維細(xì)胞系（如NIH/3T3）解析：體外細(xì)胞毒性測(cè)試最常用的模型是人類來(lái)源的細(xì)胞系（如腎小管上皮細(xì)胞HEK293、中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞CHO）和小鼠來(lái)源的細(xì)胞系（如小鼠胚胎成纖維細(xì)胞NIH/3T3）。6.高吸收截面；光散射增強(qiáng)效應(yīng)解析：碳納米管具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和維度效應(yīng)，使其對(duì)特定波長(zhǎng)（尤其是近紅外區(qū)）的光具有很高的吸收截面。同時(shí)，CNTs的存在也會(huì)增強(qiáng)周圍介質(zhì)的散射，進(jìn)一步放大光信號(hào)。三、簡(jiǎn)答題1.碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高彈性模量）、獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)（高導(dǎo)電性、高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的光吸收和熒光特性）、巨大的比表面積以及可調(diào)控的表面化學(xué)性質(zhì)。這些特性使其在力學(xué)增強(qiáng)、電子器件、光電器件、藥物遞送載體、生物成像探針、生物傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。2.碳納米管表面官能化通過(guò)引入極性官能團(tuán)（如羥基、羧基、氨基）或改變表面電荷狀態(tài)，可以顯著提高其水溶性，使其能夠更好地分散在生理環(huán)境中。同時(shí)，官能化位點(diǎn)可以用于連接靶向配體（如抗體、多肽）、連接藥物分子、或連接其他生物分子（如酶），從而調(diào)控其與生物細(xì)胞的相互作用，降低其細(xì)胞毒性，提高其生物相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性，并賦予其特定的生物功能。3.碳納米管在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用方向包括：作為高靈敏度傳感器的基礎(chǔ)材料，利用其高比表面積吸附分析物；作為電化學(xué)傳感的電極材料，利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性增強(qiáng)電流信號(hào)；作為光學(xué)傳感的探針，利用其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)（熒光、拉曼散射）進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；以及構(gòu)建微流控芯片結(jié)合碳納米管進(jìn)行集成式生物傳感等。其優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、響應(yīng)速度快、可構(gòu)建小型化、便攜式傳感器。4.碳納米管在體內(nèi)可能引起生物安全性的主要擔(dān)憂包括：尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)導(dǎo)致的物理性細(xì)胞毒性或組織損傷；表面官能團(tuán)或雜質(zhì)引發(fā)的免疫原性或炎癥反應(yīng)；在體內(nèi)難以有效清除，可能長(zhǎng)期滯留于特定器官（如肝、腎、肺），導(dǎo)致慢性毒性；潛在的遺傳毒性，可能干擾DNA復(fù)制或修復(fù)；以及不同個(gè)體、不同給藥途徑（如吸入、注射）下安全性表現(xiàn)的不確定性。四、論述題1.碳納米管實(shí)現(xiàn)“診療一體化”的潛在機(jī)制在于其能夠集成診斷和治療功能。例如，可以通過(guò)表面修飾將特異性靶向配體（如抗體）與成像探針（如近紅外熒光染料、MRI造影劑）和光熱/化療藥物負(fù)載在同一根或緊密連接的碳納米管上。當(dāng)碳納米管通過(guò)血液循環(huán)到達(dá)腫瘤部位并被特異性靶向后，成像探針可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物遞送過(guò)程和腫瘤位置；同時(shí)，在特定波長(zhǎng)光照射下，光熱材料產(chǎn)熱進(jìn)行腫瘤熱療，或負(fù)載的藥物被釋放進(jìn)行化療，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診斷和同步治療。挑戰(zhàn)在于：如何高效、穩(wěn)定地負(fù)載多種功能模塊并保持其協(xié)同作用；如何確保靶向的特異性、體內(nèi)循環(huán)時(shí)間和生物安全性；如何實(shí)現(xiàn)診療效果的精確調(diào)控和實(shí)時(shí)反饋；以及如何克服規(guī)?；苽浜团R床轉(zhuǎn)化的障礙。2.通過(guò)化學(xué)方法對(duì)碳納米管進(jìn)行表面功能化以滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用要求，需要綜合考慮多個(gè)因素。首先，為了提高水溶性和生物相容性，通常需要進(jìn)行表面官能化，如使用強(qiáng)氧化劑（如濃硫酸/硝酸混合物）氧化引入大量含氧官能團(tuán)（羧基、羥基），或使用氨基硅烷等試劑進(jìn)行胺化引入氨基。其次，為了實(shí)現(xiàn)靶向性，需要在官能化后的碳納米管表面接枝能與腫瘤細(xì)胞或特定組織/細(xì)胞表面受體特異性結(jié)合的配體（如葉酸、轉(zhuǎn)鐵蛋白、抗體、適配子等）。最后，為了延長(zhǎng)體內(nèi)循環(huán)時(shí)間、降低免疫原性，可以進(jìn)一步接枝長(zhǎng)鏈親水性聚合物（如聚乙二醇，PEG）。這個(gè)過(guò)程需要在功能化時(shí)選擇合適的反應(yīng)條件（溫度、時(shí)間、pH等），使用合適的連接臂（如EDC/NHS偶聯(lián)劑）確保官能團(tuán)或配體的穩(wěn)定連接，并優(yōu)化功能化程度，以在賦予所需功能的同時(shí)，盡量保持碳納米管的核心性質(zhì)（如電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)）和生物相容性。3.碳納米管的規(guī)?；苽鋵?duì)其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來(lái)顯著影響和挑戰(zhàn)。規(guī)?；苽浞椒ǎㄈ珉娀》烹姺?、化學(xué)氣相沉積法）通常難以精確控制碳納米管的直徑、長(zhǎng)度、壁