生物医用材料期末试卷试题
注：材料2为2012级材料
一、名词解释
1.生物材料
见材料2
2.组织工程
见材料2
3.智能水凝胶
见材料2
4.药物控释系统
见材料2
5.玻璃化转变温度
见材料2+Tf是高弹态向粘流态的转变温度，是加工成型的下限温度。
二、简答题
1.生物材料定义与分类
1）定义——见上
2）分类——见材料2
2.生物材料的生物相容性
指材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。是材料在生物体内处于静动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学性质。+材料2（）
3.如何利用组织工程的原理构建工程化组织或器官
（1）应基于仿生学的原理，针对不同组织或器官，设计制备不同组成和结构的支架，用于组织修复与再生。组织工程三要素：
○1支架：微环境——调控细胞行为和生长方式
支撑和模板——引导或诱导组织再生
○2生长因子：促进或调控细胞生长或分化
○3种子细胞：组织的基本单位，包括成体细胞和干细胞
（2）构建方法
组织工程技术的基本原理是将组织细胞(或者干细胞)贴附于生物相容性良好的
生物材料上，形成细胞—生物材料复合物；将其植入到体内特定部位，或者置于体外特定环境下，在生物材料逐步降解的同时，细胞产生基质，形成新的具有特定形态结构及功能的相应组织。
技术核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。细胞通过大量分泌胞外基质完成组织结构的架构，细胞在新组织内的生物学活动维持了组织结构的长期稳定，并使再生组织具有特定的生理功能。生物材料为细胞提供了适合其生长、基质合成及发挥其功能的生物学空间，克服了以往单一的细胞移植中细胞不易成活、基质合成能力低下等缺点。生物材料支架降解前为三维组织形成提供了临时的机械支撑，同时也是未来所构建组织与器官的三维形态模板。
细胞与生物材料之间的相互作用是组织形成即组织工程化组织构建的关键，生物材料上细胞接种必须保持一定的高密度，生物材料降解速率必须与细胞的生长与细胞外基质合成速率相互匹配，才能保证组织构建的成功。
4.简述纳米材料性质及其在生物医学中的应用
见材料2
5.壳聚糖是一种天然生物材料，有什么特点？举例说明其在组织工程中的应用（1）特点：
1）活泼的羟基和氨基:
发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围。
2）在碱性条件下C-6上的羟基：
○1羟乙基化——壳聚糖与环氧乙烷进行反应，可得羟乙基化的衍生物。
○2羧甲基化—壳聚糖与氯乙酸反应便得羧甲基化的衍生物。
○3磺酸酯化—甲壳素和壳聚糖与纤维素一样，用碱处理后可与二硫化碳反应生成磺酸酯。
○4氰乙基化——丙烯腈和壳聚糖可发生加成反应，生成氰乙基化的衍生物。上述反应在甲壳素和壳聚糖中引入了大的侧基，破坏了其结晶结构，因而其溶解性提高，可溶于水，羧甲基化衍生物在溶液中显示出聚电解质的性质。
（2）在组织工程中应用：
○1壳聚糖与磷酸钙的复合物可作为骨的替代物，用于骨的修补及牙的填料;
○2壳聚糖衍生物与聚酯的复合材料可用作人造血管。
○3制造出一种修饰烧伤、溃疡及皮肤感染的壳聚糖新型材料——“人造皮肤”，这种修饰材料具有天然皮肤的功能，不但能使伤口免受细菌的感染，而且还可以渗透空气和水分，促进伤口愈合。
○4壳聚糖和甲壳素混合后可制成高强度的丝状纤维，用作手术线。这种手术线能被生物体内的溶菌酶降解，伤口愈合后不需拆除就能被机体充分吸收，不会产生过敏反应。
6.脂肪族聚酯材料的种类、特点及应用
种类：聚乳酸(PLA)、聚乙交酯（PGA）、聚己内酯（PCL）、聚对二氧环己酮（PPDO）（1）聚乳酸(PLA)
○1特点：
密度：1.20-1.30 kg/L
熔点：155-185°C,
特性粘度IV：0.2-8 dL/g
玻璃化转变温度：60-65°C，
传热系数：0.025 λ(w/m*k)
○2应用：
聚乳酸对人体有高度安全性，可被组织吸收，优良的物理机械性能，广泛应用在生物医药领域，如一次性输液工具、免拆型手术缝合线、药物缓解包装剂、人造骨折内固定材料、组织修复材料、人造皮肤等。高分子量的聚乳酸有非常高的力学性能，在欧美等国已被用来替代不锈钢，作为新型的骨科内固定材料如骨钉、骨板而被大量使用，其可被人体吸收代谢的特性使病人免收了二次开刀之苦。其技术附加值高，是医疗行业发展前景的高分子材料。
（2）聚乙交酯（PGA）
○1特点：
熔点(Tm)约为225℃，玻璃化转变温度(Tg)是36℃，降解速度快于PLA
○2应用：
通过乙交酯(glycolide)的熔融开环聚合得到商品名为Dexon的聚乙交酯，并用做外科手术缝合线。由于这种降解性缝合线可以自行降解、被人体吸收或代谢，因
此在手术后不需要人二次拆线，可大大减轻病人的痛苦，因而引起了人们的极大关注。
（3）聚己内酯（PCL）
○1特点：
聚己内酯开环聚合合成的，一种热塑性结晶聚酯，它在生理条件下也能水解，因而引发出其在医学领域的应用。
○2应用：
PCL与其它塑料的相容性很好，与聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚苯烯PS，聚氯乙烯PVC等通用塑料都能相容。与PLA及PGA相比，PCL结晶性强，降解速度也慢很多，具有优良的药物透过性，是理想的药物载体材料。
（4）聚对二氧环己酮（PPDO）
○1特点：
PPDO由1，4-对二氧环己酮(PDO)开环聚合；由于其分子链上含有特有的醚键，分子链柔顺性好，聚合物具有优异的柔韧性；抗张强度、打结强度，降解过程中强度保留率大，综合性能较好，可制成单丝。
○2应用：
缝合线(目前有美国Ethicon公司以手术缝合线的形式出售，商品名为PDS)。但是相比与PGA、PLA和PCL，PPDO的研究还不全面、不深入，真正商品化的也只有手术缝合线，其它的还处于研究或开发阶段。
7.简述组织工程支架的基本要求及其制备方法
见材料2
8.简述高分子材料的三种力学状态和两个热力学转变
（1）聚合物三态：玻璃态、高弹态和粘流态
○1温度低，聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为，形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，称为玻璃态。
○2随着温度的升高，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。称为高弹态。
○3当温度升到足够高时，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，称为粘流
态。
（2）聚合物两转变：
玻璃态到高弹态之间的转变称为“玻璃化转变温度”：Tg
高弹态向粘流态的转变温度：Tf
三、论述题
1.用分子运动的观点解释高分子材料的三种力学状态和两个热力学转变
○1玻璃态：温度低，链段的运动处于冻结，只有侧基、链节、链长、键角等局部运动，形变小；
○2高弹态：达到Tg温度，分子运动随之加剧，由玻璃态变为高弹态。链段运动充分发展，形变大，可恢复；
○3粘流态：达到Tf温度，分子运动更加剧烈，由高弹态变为粘流态。链段运动剧烈，导致分子链发生相对位移，形变不可逆。
2.生物材料（表面）理化性质及其构建细胞外围环境对细胞生物学行为的影响（1）对细胞粘附与生长的影响：
材料表面的亲/疏水性、几何形态、表面电荷以及材料表面固有生物活性分子(蛋白质、多肽、氨基酸)等都对种子细胞的粘附和生长起关键作用。
○1一般认为亲水性和高表面能的材料表面有利于细胞粘附与铺展；
○2材料的表面电荷影响细胞的粘附，而且在具有不同表面电荷的聚合物表面上培养的细胞形态不同；
○3在不同粗糙程度的材料表面培养的细胞，其行为大不相同；
○4多种粘附蛋白参与细胞在生物材料上的粘附。
（2）对细胞凋亡的影响：
○1所用的材料可以通过死亡受体信号途径诱导细胞凋亡；
○2材料的表面性质、吸附蛋白、细胞外基质（ECM）通过影响细胞黏附导致细胞凋亡。
○3某些材料的浸出液通过线粒体途径诱导免疫细胞凋亡。
3.根据你的了解，举例说明生物材料在生物医学中的应用（至少举两个例子）
（1）金属生物医用材料：
已应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。它们主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。
（2）生物陶瓷：
○1能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层（生物活性玻璃、生物微晶玻璃）的相应材料等；○2种植齿、牙齿增高：Al2O3陶瓷、氟聚合物/金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等；
○3耳鼻喉代用材料：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷；
○4人工肌键和韧带：PLA-碳纤维复合材料。
○5人工心脏瓣膜：热解碳涂层（抗凝血，摩擦系数小）；
○6可供组织长入的涂层（心血管、矫形、牙、额面修复），多用Al2O3陶瓷；○7骨的充填料：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒；
○8脊椎外科：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷；