北京科技大学生物材料导论思考题

1、 阐述生物材料学科和生物材料研究的特点。 答： 由于生物医用材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛，研究覆盖面广，应用潜力巨大包含医学生理学，解剖学药学，材料学生物化学，工程学，物理学，信号处理等等，并且是新兴的领域，发展迅速，高附加值。

2、 根据国内外生物材料市场需求和产业化发展的现状，谈谈你对生物材料发展前景的认识。（get）

答：

2010年世界医疗器械产业由27000个医疗器械公司构成，其中90%以上为中小企业。发达国家的中小企业主要从事新产品、新技术研发，通过向大公司转让技术或被大公司兼并维持生存。大规模产品生产及市场运作基本上由大公司进行。不同于我国医疗器械企业“多、小、散”，发达国家医疗器械产业已形成“寡头”统治的局面，全球市场也呈现类似的格局。行业集中度或垄断度不断提高是生物医用材料产业发展的一个重要趋势。一些重要的生物材料被国外大公司垄断，国内的生物材料的发展空间很大。我国国内生物材料研究存在的主要问题有

（1）、产业规模小、技术装备落后、规模化生产企业尚未形成、缺乏市场竞争力。 （2）、科技成果转化能力低，产业技术创新能力不强，产品技术结构落后，技术高端产品70%以上依靠进口 （3）、完整的产业链尚未形成 （4）、缺乏产业化接轨机制，风险投资出口狭窄，融资渠道不畅通，缺乏成果产业化及企业技术改造资金 （5）、管理部门缺乏协调机制，未能形成统一的一盘棋的全面规划和管理机制，重复立项，多头管理常有所见。

生物材料的开发和研究已逐步转向：复合型，杂化型，功能型，智能型。当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性好，更能适应人体生理需要的新材料。 由于生物材料的有着很大的市场需求，并且由于生物材料的研究有着很大的发展空间，因此生物材料有着广阔的发展前景。

3、 天然生物材料的特点和种类。（get） 1) 成分简单，由低原子系数的元素组成，如，H、O、C、N、Ca、P、S 2) 由几种基本化合物组成：水，氨基酸，核苷酸，糖，无机物，生物大分子有蛋白质，多糖，核酸。 3) 结构复杂，功能多样性 4) 由生命调控合成，生物体内自组装，分级结构：通过非共价键作用在不同尺度上分级自组装。 5) 具有生物活性和智能响应。

天然生物材料的种类：天然纤维、生物体组织、结构蛋白和生物矿物等 4、 举例说明各种结构蛋白，结构多糖的结构和性能特点（get） 结构蛋白有：胶原蛋白，角蛋白，弹性蛋白，整联蛋白等。 一．胶原蛋白: 结构：胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构。其由3条a链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型。3条左手螺旋链叉相互缠绕成右手螺旋结构。 特点： ① 原大分子的螺旋结构和存在结晶区．使其具有一定的热稳定性； ② 胶原天然的紧密的纤维结构，使胶原材料显示出很强的韧性和强度 ③ 在热处理过程中．随着水分和油脂的蒸发和熔化．胶原几乎与肉食的收缩率一致 ④ 由于胶原分子链上含有大量的亲水基因，所以与水结合的能力很强 二．角蛋白： 结构： 大纤维：上百根微纤维组成，200纳米，沿头发轴向排列 微纤维：电缆式，直径8纳米，包埋在含硫的基体中 原纤维：3根a螺旋线左缠绕，直径小于2纳米 特点：弹性高，轴向拉伸率达2倍 三．弹性蛋白 结构： 弹性蛋白由二种类型短肽段交替排列构成。一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的α-螺旋，负责在相邻分子间形成交联。 特点：橡皮样弹性的纤维，能被拉长数倍，并可恢复原样。

四．整联蛋白 结构：整联蛋白是一种跨膜的异质二聚体，它由两个非共价结合的跨膜亚基，即α和β亚基所组成。细胞外球形结构域是一个露出脂双分子层约20nm的头部，头部可同细胞外基质蛋白结合，细胞内的尾部则与肌动蛋白相连。 特点：因可介导细胞与细胞外基质的黏附，使细胞得以附着形成整体。 结构多糖：分为均一多糖和不均一多糖。 均一多糖：纤维素： 结构：葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。天然的纤维素属于纤维一型，再生纤维素属于纤维二型，后者结构更加稳定。 特点：在常温下，它是比较稳定的，纤维素柔顺性很差，是刚性的。

壳聚糖： 结构：壳聚糖是甲壳素去除部分乙酸基后的产物，甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖。 特点：1、杀虫，杀线虫：土壤里施入几丁质后分泌几丁质酶的微生物种 群增加，几丁质酶活力大幅度提高，真菌病害则受到抑制。 2、天然阳离子交换树脂 壳聚糖具有与纤维素类似的六元环醚的规整结构，并含有轻基、胺基，是一种天 然阳离子交换树脂，可与很多金属离子形成配合物〔z$ zs)，将其与植物所需的微 量元素络合后，可用于调治作物缺素症。 3、溶液粘稠，易于成膜 壳聚糖具有溶液粘稠、易于成膜的特性脱乙酰度越高，粘度越大。导〔2A)，壳聚 糖与纤维素共混制成的膜，可大大增加膜的机械强度，利用壳聚糖易于成膜的特 性，可用其作种子包衣材料 4 表面多孔吸水透氧 壳聚糖具有表面多孔结构，可均匀地将化合物包埋其胶囊或颗粒中，具有缓慢释 放功能。壳聚糖还具有吸水透氧功能，壳聚糖是良好的药物缓释剂和保水剂 5、无毒可生物降解 壳聚糖对人畜无毒，能够生物降解，在土壤中不板结土壤，可缓慢降解为小分子 碳水化合物，对环境无公害

不均一多糖：透明质酸，肝素，蛋白聚糖。 5、 介绍胶原和明胶的制备方法和相关制品，并举例说明在生物医学方面的应用。（get）

答：胶原的制备方法：选材，预处理，胶原的提取，胶原的分离和纯化。胶原广泛用于生物可降解缝线，人造皮肤，伤口敷料，人造腱和血管，止血剂，血液透析膜，各种眼科治疗装置，取代眼睛玻璃体及药物缓释载体等。 胶原应用一个例子：胶原膜应用于组织感染的治疗,如角膜组织感染和肝癌,将高浓度抗生素类制成水溶性薄镜片或薄膜用于眼部治疗角膜感染。镜片式给药可使局部获得最高血药浓度,包含四环素的胶原膜移植入眼,7d后仍可在血浆中检测到四环素。

明胶采用化学交联法来进行制备。明胶广泛用于工业、制药业及生物医用。如用于各种药物的微胶囊化及包衣，同时还可治被生物可降解水凝胶。明胶还可被制成含生物活性分子如生长因子和抗体的柔软莫用于人造皮肤，防止伤口体液流出和感染。 明胶应用的一个例子：有人将体外扩增的角质形成细胞2次接种于人工真皮结构物上，经过空气界面培养，可在体外构建具有模拟真皮和表皮双层结构的真皮替代物。经过实验验证可说明将成纤维细胞在壳聚糖－明胶支架内培养一段时间后，形成细胞支架结构物，可作为人工真皮。 6、 比较纤维素和壳聚糖的结构性能，以及在生物医学上的应用。（get） 纤维素：葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。天然的纤维素属于纤维一型，再生纤维素属于纤维二型，后者结构更加稳定。 纤维素在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜： 一．硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤。 二．粘胶纤维：用于透析 三．再生纤维素：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用 四．醋酸纤维素膜：主要用于血透析系统 五．全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等。 壳聚糖是甲壳素去除部分乙酸基后的产物，甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖。 壳聚糖在医学中多用于： 一．可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科 二．人工皮，用于整形外科，皮肤外科，用于二三度烧伤，采皮伤和植皮伤等 三．细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官 四．海绵，用于拔牙患，囊肿切除，齿科切除部分的保护材料 五．眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞 六．隐形眼镜 七．膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料 八．固相酶载体

7、 举例说明不均一多糖在人体内的作用和结构性能特点（get） 答：不均一多糖包括：透明质酸，肝素，蛋白聚糖。 透明质酸在人体内的作用：润滑关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质，水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。透明质酸具有特殊的保水作用。 透明质酸结构：由单位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺组成的高级多糖。D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺之间由β-1,3-配糖键相连，双糖单位之间由β-1,4-配糖键相连。 透明质酸性能特点： HA溶液具有高度粘弹性，溶液的粘度明显依赖于切变力，同 一浓度的溶液在高、低切变力下，粘度可差数千倍。HA的独 特的流变学特性是其临床应用的基础之。HA对人类及动物无 抗原性 肝素在人体内的作用： 1、抗凝血： （1）增强抗凝血酶3与凝血酶的亲和力，加速凝血酶的失活； （2）抑制血小板的粘附聚集； （3）增强蛋白c的活性，刺激血管内皮细胞释放抗凝物质和纤溶物质。 2、抑制血小板，增加血管壁的通透性，并可调控血管新生。 3、具有调血脂的作用。 4、可作用于补体系统的多个环节，以抑制系统过度激活。与此相关，肝素还具有抗炎、抗过敏的作用。 肝素结构： 肝素含有长短不一的酸性粘多糖。主要由硫酸-D-葡萄糖胺、硫酸-L-艾杜糖醛酸、硫酸-D-葡萄糖胺及D-葡萄糖醛酸中两种双糖单位交替连接而成，是一分子量为5000～30000的混合物。含有大量硫酸基和羧基，带大量阴电荷呈强酸性。

肝素性能特点：功能特性包括溶解性、持水性、粘度、凝胶性、乳化性和起泡性等。已有的研究结果表明蛋白聚糖的功能特性比单独的蛋白质和多糖都要好。

蛋白聚糖在人体内的作用： 关节腔内以及腔道器官粘膜表面的蛋白聚糖，有润滑及保护作用。氨基聚糖有亲水性，不但占据很大的体积，而且可以缓冲机械力，减轻冲撞造成的损伤，并使组织具有抗压性。在外界压力的作用下，氨基聚糖分子体积缩小，其中的多阴离子相互靠近，同种电荷间的排斥力产生膨胀压，以抗压缩；压力去除后又反弹回复原有的体积。氨基聚糖及蛋白聚糖在细胞运动、增殖、分化、信息传递、细胞间的识别和粘合、细胞与细胞外基质的粘着以及胚胎发育中都具有重要作用。 蛋白聚糖结构： 由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价链接而成。蛋白聚糖除含糖胺聚糖链外，尚有一些N—或（和）O—链接的寡糖链。

蛋白聚糖性能特点： 功能特性包括溶解性、持水性、粘度、凝胶性、乳化性和起泡性等。已有的研究结果表明蛋白聚糖的功能特性比单独的蛋白质和多糖都要好。

8、 举例说明生物矿物的结构特点和仿生合成在材料制备上的意义。

9、 请比较生物材料与普通工程材料在成分，结构，性能，使用环境，应用等方面的特点和不同之处。

使用环境：外部自然环境：大气、水、光辐射、温度、压力。 体内环境：体液、血液、蛋白质、酶、细胞、自由基。

10、 请从宿主反应和材料反映两个方面解释生物相容性（get） 答：生物相容性是指材料在生理环境中，生物体对植入的生物材料的反应和产生有效作用的能力，用以表征材料在特定应用中与生物机体相互作用的生物学行为。生物相容性受诸多因素的影响，主要表现为宿主反应和材料反应。 宿主反应是生物机体对植入材料的反应。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成