生物医用材料期末考试题(2015年)

生物医用材料期末知识点整理（2013）

一、概念

1、生物材料：用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。

2、生物材料的生物相容性：材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时引起适当的宿主反应和材料反映的能力，即能够被生物体或其组成单位接受或容纳的能力，材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。生物相容性分为细胞相容性、组织相容性、血液相容性、分子生物相容性。（生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。）

3、组织工程：是应用工程学及生命科学的原理及方法，在正确认识哺乳动物正常及病理两种状态下组织结构与功能关系的基础上，研究、开发生物性代替物，以修复、重建或增进因创伤、疾病或老化而损坏的组织的工程。这一学科的应用领域直接与临床医学和人类健康密切相关，是再生医学的一个分支。

4、聚合物分子量：重复单元的分子量与重复单元数的乘积；或结构单元数与结构单元分子量的乘积。

5、聚合物的玻璃化温度：当非晶态聚合物从玻璃态到高弹态之间的转变称为玻璃化转变温度。在高聚物发生玻璃化转变时，许多物理性能特别是力学性能会发生急剧变化，材料从坚硬的固体变成柔性弹性体；玻璃化转变是一个有着重要的理论意义和实际意义的性质；T g是聚合物作为塑料使用的最高温度，橡胶使用的最低温度。

6、生物材料的生物降解：指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用，在组织长入的过程中不断从体内排出，修复后的组织完全替代植入材料的位置，而材料在体内不存在残留。

7、生物材料的拓扑结构：生物材料微纳米级的物理结构（粗糙度、孔洞的大小及其分布、沟槽的深度宽度、纤维的粗细）接触诱导即细胞根据下层材料表面的拓扑形貌而取向生长。

8、纳米生物材料：纳米生物材料是指用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术纳米材料，在1~100纳米的尺度里。

9、药物控释系统：通过控释衣膜来定量匀速的向外释放药物，使血药浓度保持恒定。药物控制释放系统按释药机理分可分为扩散机理、化学反应机理和溶剂活化体系等三大类。10、智能水凝胶：水凝胶是在水中能够溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物，亲水的能够在水凝胶中扩散。普通水凝胶对环境变化不敏感，智能水凝胶能感知外界环境的细微的物理化学变化，如PH、温度、压力、电场、磁场、离子强度、紫外光、可见光以及特异化学物质等的变化，并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激。

二、论述

1、简述生物材料的分类及其产业化发展趋势

（1）分类：

按医用材料的来源分类：天然生物材料、合成材料。

按医用材料的性质分类：高分子材料、金属材料、无机非金属材料、天然生物材料。

按医用材料在人体中的应用部位分类：硬组织材料、软组织材料、心血管材料、血液代用材料、分离透析材料。

按医用材料使用要求分类：非植入性材料、植入性材料、血液接触性材料、降解和吸收性材料。

（2）产业现状：

我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5％；

产品技术水平处于初级阶段，且产品单一；

同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少；

生物医用材料与制品70-80%要依靠进口；

产业正处于起步阶段。

（3）发展趋势：

技术创新和升级：

（赋予材料生物结构和生物功能，充分调动人体自我康复的能力，再生和重建被损坏的人体组织或器官，或恢复和增进其生物功能，实现被损坏的组织或器官的永久康复。

深入研究生物材料的表面，发展表面改性技术及表面改性植入器械。

传统生物医学材料生物学性能的改进和提高。）

生产和销售国际化：

（PS：参考文章《生物医用材料现状和发展趋势》）

2、简述生物材料的表面特性以及改善材料血液相容性的基本策略

（1）表面特性：

宏观特性＞10um（疏水性、电荷、形貌、孔隙率、含水量、表面积、机械柔顺性）

微观特性＞0.2um（表面上的颗粒、形貌、晶体结构尺寸）

纳米结构1-100nm（颗粒、形貌、元素组成、分子、分子键、晶体结构）

综合：生物材料表面的成分、结构、表面形貌、表面的能量状态、亲疏水性、表面电荷、表面的导电特征等。

（2）基本策略：

①利用各种物理化学方法对材料的表面进行处理，以提高材料表面的亲水性，使表面自由能降低到接近血管内膜的表面自由能值即可取得抗血栓性能，如使材料表面带上负电荷的基团芝加哥酸。

②对材料表面进行修饰以形成伪内膜，采用的方法有种植内皮细胞、涂布白蛋白涂层、导入磷脂基团表面和表面接枝改性等，这是材料改性最直接的方法，可改善血液与材料接触状况，防止破坏血液成分。

③利用生物化学手段在材料表面固化某些能干扰血液与表面相互作用的生物活性物质，以改善其血液相容性，如表面肝素化。

3、组织工程支架的基本要求及其制备方法（三种以上）

（1）基本要求：

⑴符合生物安全性要求

⑵合适的可生物降解吸收性

⑶合适的孔尺寸、高孔隙率和相连的孔形态

⑷特定的三维外形

⑸高表面积和合适的表面理化性质

⑹与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度

（2）制备方法：

⑴冷冻干燥（参数：溶液浓度、冷冻温度、冷冻时间和冷冻速率等——冷冻后分为两相）

⑵致孔剂致孔（形成气体的盐致孔；水溶性致孔剂致孔；冰晶致孔）

⑶致热相分离（TIPS）（参数：聚合物浓度、溶剂、淬火过程及添加剂——与冷冻干燥本

质相同，均是相分离）

⑷微球基质（静电液滴、乳化）

⑸纤维支架（静电纺丝）

⑹管状支架（无纺网粘合、溶剂流涎和挤塑）

⑺三维支架制备技术

⑻超临界流体技术（超临界二氧化碳SCCO2、无残留溶剂、制备非晶相聚合物支架、参

数：压差、减压速率）

⑼乳液冷冻干燥

4、生物材料理化性质及其构建细胞外微环境对细胞生物学行为的影响

（1）理化性质：疏、亲水性、电荷、形貌、孔隙率、含水量、表面积、机械柔顺性、表面上的颗粒、晶体结构、分子、分子键、表面的能量状态、表面的导电特征、表面固有生物活性分子等。

（2）生物材料对细胞粘附与生长的影响：生物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起关键作用，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。

生物材料对细胞调亡的影响：生物材料诱导细胞凋亡的死亡信号途径；生物材料影响细胞黏附导致的细胞凋亡生物材料诱导细胞凋亡的线粒体途径。

（PS：参考论文《生物材料对细胞生物学行为的影响》）

5、什么是水凝胶，成胶机理有哪些？举例说明水凝胶在生物医学中的应用

（1）水凝胶是水溶胀的交联体型聚合物分子网络，一般由单体聚合而成或分子链之间通过氢键或强范德华力形成网络。

（2）成胶机理：

物理交联（物理凝胶）：由非共价键交联形成，加热可以拆散范德华力交联，使冻胶溶解。化学交联（化学凝胶）：高分子链之间以化学键形成的交联结构的溶胀体，加热不能溶解也不能熔融。

（3）应用：

水凝胶可以作为智能药物释放系统，如葡萄糖响应高分子配合物形成的胰岛素释放微囊：感知葡萄糖浓度—交换键合释放药物—患者的血糖浓度维持正常水平。

水凝胶PNVP可用于隐形眼镜。

由聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、PNVP、PHEMA等制成的非离子性水凝胶可用在与血液接触的领域，肝素化的水凝胶也可用作血液相容材料。

6. 什么是免疫吸附剂？如何制备？举例说明其应用。

（1）将特异性免疫活性物质加入吸附剂中，以吸附血液中特异致病因子，这样的血液净化吸附剂称为免疫吸附剂。

（2）免疫吸附剂的制备需要将高度特异性的抗原、抗体或有特定物理化学亲和力的物质（配体）与固定配体的吸附材料（载体）结合，制成吸附剂（柱）。

（3）免疫吸附剂目前主要应用在肾或者其他器官移植及肾脏疾病、血液病、神经系统疾病、风湿性疾病的治疗上。

Eg1：器官移植：移植前使用免疫吸附治疗处于高敏免疫状态的患者，可迅速清除HLA抗体，使交叉配型转阴，减少了急性排斥反应的发生率。移植后，当移植物出现机能恶化，活检发现发生急性排斥反应时，使用强化免疫吸附并联用抗排斥药物，可使排斥反应逆转。

Eg2：重症肌无力免疫吸附能有效清除患者血清中的抗乙酰胆碱受体抗体补体及免疫复合物等，快速改善患者的临床症状，特别是有严重的呼吸肌麻痹和吞咽障碍的重症患者。现在用

免疫吸附治疗重症肌无力已积累了许多经验，通过用色氨酸、蛋白A或合成乙酰胆碱受体的方法可提高其作用的特异性。

7. 血液净化材料有哪些要求？

血液净化材料包括血液净化膜材料和血液净化吸附材料。

（1）临床上各种血液净化技术对高分子膜的要求十分严格，必颁具备良好的通透性、吸附性、机械强度以及血液生物相容性，还有膜孔的大小等。

（2）为了弥补膜材料的不足，提高血液净化过程中毒物的清除率，减少副作用，研制具有高选择性的专一性吸附材料成为临床迫切需要。

对于这样的血液净化吸附材料，其载体要求：

①具有惰性，不与血液发生理化反应；

②具有良好的孔隙度，能够允许致病物质进入其内部结构；

③有一定机械强度，不发生微粒脱落；

④有强大的吸附作用；

⑤具有大的比表面积和可供偶联配基的活性基团。

对于吸附材料中专一性比较强的免疫吸附剂，对其的要求是：

①具备选择性或特异性；

②无毒和不溶解；

③不激活补体及凝血系统、不致敏；

④极少配基离解脱落；

⑤能再生；

⑥稳定性好；

⑦成本不高。

对免疫吸附剂配基的要求：

能与致病物质相互作用（最好是特异性的）、不易泄露、无毒。

8. 丝素蛋白是一种天然生物材料，有什么优点？举例说明其在组织工程中的应用。

（1）丝素蛋白的优点：

①无毒，对生物体无危险性；

②与其他天然纤维和许多高性能合成纤维相比，有独特的力学性能，强度高；

③在体内外可以缓慢降解为氨基酸；

④可以通过不同处理方法获得膜或其他形态，而且工艺相对简单；

⑤可以通过某些氨基酸的氨基和侧链的化学修饰较容易地改变表面性能；

⑥可作为缓释基质；

⑦可制作止血海绵。

（2）丝素蛋白在组织工程中的应用：

实验证明丝素蛋白可以多种形式（薄膜、膜、网状结构、海绵状等）在体外支持干细胞的黏附、增殖和分化，体内促进组织的修复，尤其是三维的丝素蛋白支架扩大了丝素在干细胞组织工程中的应用，成为组织工程中最有前景的生物材料之一。

丝素蛋白与其他的多聚物的复合材料的应用：通过与其他多聚物的复合可以进一

步改进丝素蛋白的结构和特性，虽然有些材料的生物相容性和可降解性并未在体外实验证实，但是也有报道丝素蛋白和这些材料的混合可以作为伤口敷料促进伤口的愈合。

再生丝素蛋白水凝胶：水凝胶是丝素蛋白溶液在酸离子存在的条件下添加一些添加剂使得其从溶液变为胶状。丝素蛋白水凝胶已经被研究用于生物活性因子的控制释放，比如质粒DNA

病毒和生长因子等。

丝素蛋白水凝胶通过冷冻干燥等进一步处理可以形成海绵状多孔丝素蛋白应用于细胞培养和组织工程。实验结果证明水凝胶形成的多孔丝素蛋白支架在软骨细胞再生医学中具有潜在的应用价值。

丝素蛋白无纺网：丝素蛋白无纺网具有良好的生物相容性，能够支持血管的再生，应用于承重骨骼的修复，如股骨、胫骨具有广阔的前景。

三维丝素蛋白支架的应用：研究发现，处理加工后的丝素蛋白三维支架支持间充质干细胞的黏附、增殖和分化，可用于修复多样的骨缺损。这说明丝素蛋白三维支架在骨组织工程中具有巨大的应用价值。

9. 纳米材料的基本特性，举例阐述其在医学诊断及新药研发领域中的应用。

（1）纳米材料的基本特性：

物理性能：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应；

化学性能：表面活性及敏感性、催化性能；

（2）纳米材料在医学诊断中的应用：

①遗传病诊断：纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把孕妇血液中的胎儿细胞分离出来进行诊断，而不需要进行羊水穿刺。

②病理学诊断：利用原子力显微镜可以在纳米水平上解释肿瘤细胞的形态特点，通过寻找特异性的异常纳米级结构改变，已解决肿瘤诊断的难题。

③影像学诊断：将纳米氧化铁造影剂静脉注射，在核磁共振图像中可以观察到病灶和正常组织的对比。

④微小探针技术：利用纳米级微小探针技术，向人体内植入传感器，可定位于体内或随血液运行，从而可反馈体内各种生物信息。

纳米材料在新药研发中的应用：

①纳米西药：纳米晶体技术可将药物微粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。

②纳米中药：用一种特殊的物理制备技术，在常温条件下，将鲜活的中药原材料进行纳米级的超微粉碎，一方面将药材本身细胞壁完全击破，使得细胞中最为重要的核酸物质和其他有效活性成分充分溢出；另一方面将有效成分的大分子物质破碎成能被人体直接吸收的小分子颗粒悬浮在原生母液中，再采用特殊的保鲜方法将活性有效成分完好地保持在其本然的鲜活状态。

10. 生物材料的降解及其调控的基本原理和研究意义。

（1）生物材料的降解指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用，在组织长入的过程中不断从体内排出，修复后的组织完全替代植入材料的位置，而材料在体内不存在残留的性质。

（2）材料在生物体内的降解和吸收机制主要是水解和酶解机制。

①生物材料在体内的水解机制：包括大块降解和表面降解两种水解方式。

对亲水或非晶体结构聚合物，其主要降解方式为侵蚀同时遍布整个聚合物的大块降解。

疏水或高晶体结构的聚合物，其主要降解方式为在聚合物表面侵蚀的表面降解方式。而侵蚀是通过水解、溶解与交链断裂相结合的方式进行。

天然聚合物的降解，首先是水解或氧化降解为小分子，然后再被生物体吸收和排泄。

合成聚合物的降解主要是水解，其水解过程可以被酶、酸、碱催化。

固体聚合物在生物体内的降解阶段，材料由不溶于水的固体经过溶蚀、碎裂、溶解成水溶性小分子进入体液。随后在吸收阶段，进入体液的水溶性降解产物被巨细胞或吞噬细胞吞噬、消化和代谢。

②生物材料在体内的酶解机制：

聚合物在体内经过水解阶段后，酶解机制启动，通过酶的作用将这些低分子质量聚合物片段转化为小分子代谢产物，将材料最终通过尿液、呼吸排出体外。酶及酶促氧化反应在该过程中起着非常重要的作用，在一定程度上影响降解机制及其速度。其可能包括的机制有：酶促水解作用、酶促氧化作用、自由基作用等。

（3）材料降解影响因素及其调控：

影响因素：聚合物种类、分子质量、结晶状态、熔融温度Tm、玻璃态转换温度Tg；植入部位的血循环及局部组织液的pH值均对降解有一定的影响。

降解速率的调控：

调整聚合物主链结构、通过单体的亲水性调整材料对水的渗透性、调整聚合物的物理形态即结晶状态、调整材料的比表面积和孔隙、调整材料的分子质量、材料加工方法及其他可能的影响因素的调整。

（4）生物材料降解的研究意义：

生物医用材料经过一系列的反应，可能完全降解由体内排出，也可能会有部分材料或其降解产物长期存在于人体内。生物医用材料在体内代谢的中间产物和终产物可能对人体有利也可能有害，因此对于材料在生物体内的代谢产物和途径的研究具有十分重要的意义。