生物材料学 - 问答题整理

第1章 绪论

1、什么是生物材料？

答：目前认为：生物材料为一种与生物系统相互接触，用以诊治组织/器官疾患，替换病损组织/器官，或者改善其形态或增进其功能的材料，包括生物源性材料和生物医用材料。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物。 2、生物材料的类别

答：生物材料的类别如下：

（1）按材料属性：医用金属材料、医用无机材料、医用高分子材料、医用复合材料? （2）按材料功能：硬组织材料、软组织材料、血液相容性材料、生物降解材料? （3）按材料来源：组织衍生材料、天然生物材料、人工合成材料

（4）按材料用途：骨科材料、心血管材料、血液透析材料、整形美容材料? 3、生物材料应用现状

答：生物材料应用现状如下：

（1）软组织植入材料：医用缝合线（蚕丝、尼龙、羊肠(胶原)、聚酯?）、止血海绵、人工乳房植入体（石蜡、硅酮油、聚丙烯酰胺、聚乙烯海绵体、硅胶袋（内装硅凝胶或生理盐水）?）、经皮植入体、皮肤植入体、颚面植入体、眼耳植入体、血管植入材料、人工心脏瓣膜? （2）硬组织修复与替代材料：接骨板、人工关节、金属丝、螺钉、髓内钉、脊柱固定器件、牙根植入体、齿科材料等?

（3）人工器官：人工肾(血液透析仪)、人工心脏、人工肺?

（4）组织工程产品：皮肤、骨、软骨、膀胱、神经（壳聚糖、聚乙醇酸）

第2章 生物大分子

1、生物大分子概念和种类？

答：生物大分子概念：是生物体的重要组成成分，是一类具有生物功能、分子量较大、结构也比较复杂的天然高分子，同时也是一类非常重要的生物材料来源。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物

2、胶原蛋白的特点及稳定构象，丝素蛋白的特点及稳定的构象？ 答：（1）胶原蛋白：

特点：耐湿热，生物相容性良好，生物可降解，经过处理可消除抗原性，能促进组织恢复，无异物反应

稳定构象：三股螺旋和球形 （2）丝素蛋白

特点：来源广泛、生物相容性良好，力学性能优良，血液相容性相对较好，可以缓慢降解，溶解性（浓的中性盐溶液） 稳定构象：反平行折叠链构象

第3章&第12章 生物矿化和仿生材料

1、生物矿化的定义及主要分类是什么？

答：生物矿化定义：生物矿化是指在一定条件下，在生物体的不同部位，以各种作用方式，

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在有机基质和细胞的参与下，无机元素从环境中选择性的在特定的有机基质上形核、生长和相变而转变为结构高度有序的生物矿物的过程。

主要分类：无定形矿物；无机晶体；有机晶体；最多的是含钙矿物，其次依次为非晶质氧化硅，铁锰氧化物、硫酸盐，硫化物、钙镁有机酸盐

2、请列举羟基磷灰石涂层的主要制备方法或简述耳石的各个自组装分级结构。 答：（1）羟基磷灰石涂层的主要制备方法：（P59） 1）固相反应法（固体-固体反应）：原料磨细混合；1000-1300℃高温；合成HA 2）水热合成电化学反应法（化合物）：以Ti合金为负极、石墨为正极，在由NH4H2PO4和CaCl2组成的电解质溶液下，经过一定的pH和沉积时间，120-200℃水蒸汽处理，合成HA 3) 化学共沉淀法（沉淀剂-促沉淀）：

（2）耳石的各个自组装分级结构：以鲤鱼的微耳石为例（P74） 第1级分级结构：基本组成成分——文石纳米晶

第2级分级结构：纳米纤维——文石晶体具有c轴方向的择优取向，形成直径约60nm、长度1.5μm的纳米纤维，且每根纳米纤维都由一些蛋白包裹 第3级分级结构：纤维排列——文石纳米纤维在二维方向上彼此紧密的平行排列，形成纤维层结构。

第4级分级结构：文石棒——文石层在垂直于文石层面的方向堆积至2-3μm，形成三维的棒状聚集体，不同文石棒之间由蛋白质分割开。 第5级分级结构：取向畴——文石棒彼此平行，在一定区域内形成了具有一定取向的畴结构，各个畴大小不一，大致为数十个微米。 第6级分级结构：畴结构的排列——取向畴在微耳石日轮层内的排列，相邻晶体取向畴之间具有相似取向，夹角不超过20°。

第7级分级结构：微耳石的日轮——一个日轮由一条透明的增长带和一条暗色间歇带组成，两个带交替分布，每个亮区加暗区宽度约1-2μm，表明鲤鱼生长了一天。 3、碳酸钙调控机理包括哪几部分，并就其中的一种进行举例说明（P50） 答：碳酸钙调控机理包括以下内容

机理层面：1)Mg离子作为添加剂2）有机小分子作为添加剂3）生物大分子作为添加剂4）贝壳中提取蛋白质的体外模拟矿化5）耳石中中提取蛋白质的体外模拟矿化工艺层面：6)微印法实现结晶位点控制 举例说明：

1）Mg离子作为添加剂，影响：形貌、沉积动力学、稳定性、晶型转变

2）有机小分子作为添加剂，种类：氨基酸、表面活性剂等；影响：晶型、形貌、晶体取向； 4、仿生材料定义和基本原理，并举例说明仿生材料在日常生活中（或者是你所接触到的）的应用情况 答：仿生材料的定义：仿生材料是参照生命系统的式样和器官材料的规律而设计制造的人工材料。

仿生制备的基本原理：1）成分和结构仿生：模拟骨修复材料羟基磷灰石2）过程和加工仿生：模仿生物体对有机质的组装和对于矿物的调节机制3）功能和性能仿生：模仿生物体的

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感知，诊断，适应等功能的仿生智能材料，模仿生物的感觉器官制作的生物传感器（电子眼等）

举例：模拟骨修复材料羟基磷灰石，模拟贝壳的结构制备层状有机-无机复合材料，模拟竹子的结构，在块状材料中添加纤维，增加韧性

第4章 组织与器官的基本知识

1、细胞外基质的概念、组成、功能及其影响细胞生物学行为的机理

答：细胞质基质（ECM）的概念：由动物细胞合成并分泌到胞外，分布在细胞表面或细胞之间的大分子，主要是一些多糖和蛋白，或蛋白多糖，这些物质构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构，调节组织的发生和细胞的生理活动。 组成：纤维（胶原和弹性体）；无定形纤维间基质（主要是蛋白多糖，还有非胶原糖蛋白、各种溶质、水等） 功能：机械支撑与细胞定位；决定细胞取向；控制细胞生长；维护细胞分化；支持组织更新；建立组织微环境；参与可溶性调节分子的螯合、贮存和呈现；支持并连接组织结构，调节组织的发生和细胞的生理活动

影响细胞生物学行为的机理（P101）：基质成份显著影响细胞形态的保持，影响细胞形状、极性和分化功能。细胞利用表面受体，细胞膜蛋白质与不同的基质成份进行交流；在其他二级信使产生过程中细胞骨架结构的变化会调整基因。与此相反，细胞还产生并分泌基质分子。这些功能是通过细胞和基质间的交互作用完成的 2、骨的结构特点及生物力学特征（P104）

答：骨的结构特点：坚硬；血管丰富；钙库；造血器官。骨膜、骨质、骨髓。

骨膜是一层坚韧的结缔组织膜，覆盖在骨的表面；内含有丰富的血管、神经和成骨细胞 骨质有骨密质和骨松质两种。前者质地坚硬致密，布于骨的表层；后者呈海绵状，由许多片状的骨小梁交织而成，布于骨的内部。

骨髓填充在骨髓腔和骨松质的空隙内，分为红骨髓和黄骨髓，

生物力学特征：随着骨密度的增加，模量和强度均显著增加，皮质骨的力学性能具有明显的各向异性，沿骨干的轴向强度较高，骨具有粘弹性。 3、实质性器官和空腔器官的结构特点（P113） 答：（1）实质性器官的结构特点：包括心、肝、脾、肺、肾，具有一个被密集的连接组织囊环绕的庞大连接组织系统，这种器官具有较厚的连接组织区或门，在这里血管和其他管道能进入器官，大批的连接组织从门外进入器官，将其分为小片，器官的其余部分具有一个精密的结构系统，包括支撑细胞、细胞外基质和脉管系统，共同组成了基质。

（2）空腔器官的结构特点：包括小肠、胆、胃、大肠、膀胱，在空心器官中，大的血管垂直穿过外表层，并平行于组织层构成分支，这些血管进一步向深分化穿过肌肉层，在连接组织处的血管分支又与组织层相平行，在连接组织处小的血管与其小血管有交叉点（吻合），这些交叉点可以提供间接路径使血液从障碍旁通过。

第5章 细胞与材料的相互作用

1、材料表面蛋白质吸附的影响因素及其特点有哪些？（P121）

答：材料表面蛋白质吸附的影响因素：蛋白质(浓度、速度、分子大小、亲和性、结构重组）；

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材料表面(理化性质、疏水性、荷电特性、形貌、机械性质、电学性质) 特点：（1）蛋白质在表面的浓度比它以前所在的溶液中的浓度大得多。（2）蛋白质在表面和溶液中是完全不同的两种状态，在表面状态称为被吸附态。（3）吸附石不可逆的。（4）蛋白质吸附过程被认为是熵的变化驱动的。

2、当材料和机体组织相互接触时，细胞是如何粘附到材料上的？其影响因素有哪些？细胞粘附有何意义？（P129） 答：细胞粘附到材料的方法：

（1）焦点粘附：缝隙宽度10~20nm，在细胞铺展的细胞边界可以观察到细胞伪足与材料的锚接，这是一种非常强的粘附；

（2）直接接触：缝隙宽度30~50nm，围绕在焦点粘附周围；

（3）间接接触：缝隙宽度>100nm，细胞外基质材料或液体夹在膜与材料之间

影响因素：材料表面的拓扑结构，表面亲/疏水性，表面化学组成，多孔材料的孔隙，表面化学修饰

细胞粘附的意义：细胞吸附是衡量生物材料的生物相容性的依据之一，对细胞的迁移有重要作用，是构建工程化组织和器官的形成前提条件。（自己总结吧）

第6章 生物医用材料

1、简述金属植入物的制备过程？（P144） 答：（1）从金属矿石到金属原材料：选矿、矿石破碎、提取金属、纯化金属、制作合金 （2）从金属原材料到金属型材：铸造、锻造、轧制、粉末生产、热处理

（3）从金属型材到初步和最终的金属装置：通过铸造成型、表面处理、钝化等工艺制成金属装置。

2、生物降解和生物侵蚀的概念？（P172）

答：生物降解：强调生物因子（酶或细菌）在降解过程中的作用。

生物侵蚀：强调在生理环境下，包括物理过程（如溶解等）或化学过程（如分子骨架断裂）的作用

3、植入组织的反应类型？

答：植入组织的反应类型如下：

（1）材料是有毒的，周围组织死亡；

（2）组织无毒且无生物活性(近乎无活性)，形成厚度易变的纤维组织； （3）材料无毒且有生物活性(生物活性的)，形成界面联结； （4）材料无毒且可溶，周围组织会替代它。 4、纤维制备常用的三种技术及原理？

答：纤维制备常用的三种技术及其原理如下：

（1）电纺丝(静电纺丝)：原理：首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。

（2）熔体纺丝：原理：1）制备纺丝熔体；2）熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流；3）熔体细流冷却固化形成初生纤维；4）初生纤维卷绕。熔纺分直接纺丝法和切片纺丝法。

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（3）湿法纺丝：原理：是化学纤维的主要纺丝方法之一，包括1）制备纺丝原液；2）将原液从喷丝孔压出形成细流；3）原液细流凝固形成初生纤维；4）初生纤维卷装或直接进行后处理。

第7章 生物医用材料表面性质与改性

1、表面与界面的定义

答：表面的定义：与气体接触的界面。界面的定义：任意两相的接触面，有一定的厚度，(约为几个分子层厚度)，又称为为界面相 2、表面分析的主要原理和分类（P204）

答：表面分析原理：电磁辐射（X射线、紫外线等）或运动载能离子（电子、离子、中性粒子等）作用于待检测材料，形成反射、散射、及光电离（光子、电子、离子、中性粒子等），分析信息载体：强度、空间分布、能量分布、质荷比及自旋等，得出所需结果：表面的微观形貌、结构、化学组成、电子结构（电子能带结构和态密度、吸附原子、分子的化学态等）和原子运动（吸附、脱附、扩散等）

分类：依据表面性能特征和所要获取的表面信息分类：表面形貌分析（表面宏观形貌、显微组织形貌）；表面成分分析（表面元素组成分析、表面元素化学态分析、表面元素分布（横向分布和纵向深度分布)分析 ）；表面结构分析（晶体原子排列、晶胞大小和晶体取向；原子在晶胞中的位置；表面吸附和化学反应，扩散等 ）；表面电子态分析*；表面原子态分析 3、表面改性的主要方法有哪些？主要表征方法有哪些？

答：表面改性的主要方法：1）材料的表面修饰2）等离子表面改性；3）离子注入表面改性；4）表面薄膜合成自组装单分子层等。（或者答：等离子体表面改性；离子注入表面改性；离子束辅助沉积；LB技术；硅烷化；自组装单层膜；钝化处理；激光涂覆。

主要表征方法：？

4、表面生物分子固定的种类及其方法？ 答：种类及其方法如下：

1）物理吸附法：范德瓦尔斯力、静电力、亲和力、吸附交联力 2）物理捕获法：栅栏系统、水凝胶、分散粘合

3）共价结合法：可溶高分子衍生物、固体表面、水凝胶

第8章 材料的生物相容性

1、生物材料的生物相容性定义及应具有的条件? 答：生物材料的生物相容性定义：指生物材料与人体间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应，以及人体对这些反应的忍受程度。 应具有的条件：“六无”—无毒，无致敏，无刺激，无遗传毒性，无致癌，对组织、血液、免疫系统无副作用 。具有生物安全性和生物功能性。

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2、植入生物材料中哪些因素会导致凝血系统异常？目前有哪些改进方法？

答：导致凝血系统异常的因素：生物材料表面粗糙；生物材料表面正电荷；生物材料表面润湿性较差。目前改进方法：生物材料表面处理：肝素表面或光滑的生物学表面；负电荷表面（偏析金属、聚合物电解质）；惰性表面（羟乙基异丁酸、聚丙烯酸水凝胶）；溶液-透析表面（亲水性）

3、比较急性炎症和慢性炎症的差异

答 急性炎症 慢性炎症 起病急 起病较缓慢

持续时间短 持续时间长（数月—数年） 以渗出病变为主要特征 以增生性病变为主

炎C浸润以粒C 为主 炎C以巨噬C和淋巴C 为主 4、详述生物材料植入体内会引起宿主哪些反应？ 答案一：（1）生物材料的界面现象：材料表面先吸附血浆蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纤维蛋白

（2）免疫成分的改变、补体的激活以及血小板受体、二磷酸腺苷和前列腺素的释放等分子水平的反映

（3） 生物材料会引起血液改变：破坏血液中蛋白质和酶活性；引起补体系统激活；引起凝血系统或纤溶系统异常；破坏血细胞、引起血细胞数量或质量异常；血流动力学改变（主要指植入在血流通道上）

答案二：引起组织反应、血液反应、免疫反应和全身反应。 免疫反应：是由植入材料的化学组分、分子及其部分结构在生物环境下被释放进入生物组织所引起的。

全身反应包括非免疫性全身反应、免疫性全身反应和超敏反应。 非免疫性全身反应：主要是由于材料的降解产物和磨损碎片的堆积、变换和随后发生的主体作用。

免疫性全身反应：第一套防御机制是实物屏障，内在防御机制始于炎症，获得性防御机制—淋巴细胞

超敏反应：因免疫系统的异常、过度或者是失控而导致机体失调的反应。分为ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ型

第9章 生物材料的检测与评价

1、生物材料的生物相容性评价程序？

答：材料选择→产品生物学评价（与已上市产品对照 ）→确定材料分类→ 生物学试验项目选择→生物学试验→上市后重新评价。 2、生物材料的生物相容性评价原则？

答案一：生物材料的生物相容性评价原则如下：

（1）选择材料时要考虑到化学性能、物理学性能、电学性能、形态学性能、力学性能和其它性能等，同时考虑到生物学评价（生物学性能）。

（2）考虑一种材料与组织间的相互作用时，不能脱离整个生物材料的总设计，一般在材料满足其物理和化学性能后，再去评价它的生物性能。

（3）考虑到实验动物的3R原则和节约经费时间，一般先体外试验，后进行动物试验。 （4）考虑到灭菌可能对生物材料的影响及可能伴随的毒性物质，应用最后灭过菌的产品作为试验样品或作为制备浸提液的样品，进行生物学评价。

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（5）考虑到生物学评价的高要求和严标准，生物学试验均须在专业实验室中进行，并由经专业培训且有实践经验的人员操作，其试验结果应具有可重复性。

（6）当最终产品投入市场后，如其原料或技术发生变化，产品配方、工艺、初级包装或灭菌条件改变，贮存期内产品发生变化，产品用途发生变化，有迹象表明产品用于人体时会产生副作用等时，均需对产品重新进行生物学评价。

答案二：生物安全性：是指消除生物材料对机体器官的毒副作用，如细胞毒性、刺激性致敏性和致癌性等。

生物功能性：生物材料在应用过程中能够引起宿主适当的应答，如细胞粘附、铺展、增殖、分化、及生长因子的表达等。

第10章 材料在生物环境中的降解

1、简要叙述聚合物材料降解的几种机理？ 答：聚合物材料降解的机理如下：

（1）物理机理：吸附作用、膨胀作用、软化、结晶化、去结晶化、应力开裂、疲劳断裂、冲撞挤压断裂 （2）化学机理：

1）热分解作用：自由基分离、解聚作用 2）氧化作用：化学氧化、热氧化

3）溶剂分解作用：水解、醇解、氨解等 4）光分解：可见光、紫外光

5）辐射降解：α-射线、X射线、电子束 6）断裂引起的自由基反应 2、简述金属腐蚀的基本原理？

答：水溶液腐蚀是金属生物材料的最常见的腐蚀方式，在电解液中，金属表面发生电化学反应时发生水溶液腐蚀，此过程存在两种反应：产生金属离子的阳极反应，比如金属失去电子，氧化变成阳离子，还有消耗电子的阴极反应，虽然阴极反应取决于电解液的性质，但是在水环境中最重要的反应是氢的还原反应和溶解的氧气在酸性溶液中的还原反应或在中性或碱性溶液中的还原反应，在所有的腐蚀过程中，阳极反应（氧化反应）的速度和阴极反应（还原反应）的速度相同。

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第11章 组织工程

1、什么是组织工程？其要素、内容是什么?

答：组织工程的定义：应用生命科学和工程学的原理与方法，研究、开发生物替代物用于修复、增进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的一门交叉学科 组织工程的要素：生物材料支架；支持细胞/种子细胞；生长因子/调节因子

组织工程的内容：建立种子细胞库；制备生物材料支架；组织培养技术；体内/临床应用技术

2、对组织工程生物材料支架有哪些要求？常用哪些材料？ 答：（1）对组织工程生物材料支架的要求：

1）具有三维多孔网络，有利于细胞生长、养分传输和代谢废物的排放；

2）良好的生物相容性和相匹配的可降解性能，降解速度和吸收速度可以调控，以适应细胞或组织的生长；

3）化学表面适合细胞的粘附、增殖和分化； 4）具有与自体组织相似的机械性

5）需具有可塑性，无污染处理 (灭菌) （2）常用的材料：

1）天然可降解生物材料：胶原；甲壳素及其衍生物；藻酸盐；纤维素；透明质酸；珊瑚；弹性蛋白

2）合成可降解材料：α-聚酯类（聚乳酸（PLA）（聚丙交酯），聚乙醇酸（PGA ）-单体：乙醇酸，PGA、PLA、PLGA）；微生物聚酯类；其它（聚酰胺共聚物、聚氨基酸、脂肪酯、芳香族聚酯的共聚物等）

3、种子细胞和生物材料如何体外培养构建组织工程化组织/器官？

答：活组织切片，酶消化，制成细胞悬浮液，体外增殖，在准备好的支架上种植细胞，生物反应器内培养

，培养条件控制(生长因子调节)，形成三维组织，组织工程化组织/器官。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/icrv.html