生物材料导论复习重点

1.生物材料的两种定义，一种是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原蛋白、胶原纤维、蚕丝等)、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木材，竹等）。另一种定义为活组织中的天然材料和用于修复人体的材料。广义：生物体（生命体）材料和生物医用材料。狭义：生物医用材料，即各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、修复/置换人体受损组织和器官或增进其功能癿功能性材料。2.生物材料的分类：按来源分可分为：天然材料和合成材料；按生物活性分可分为：生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料。生物复合材料；按材料的组成和结构分为金属材料、非金属材料、高分子材料、复合物材料；按材料功能（临床用途）分为硬组织相容性材料、软组织相容性材料、血液相容性材料，生物降解材料。3.表面界面效应：随着晶粒尺寸减小，晶界原子占总原子数的百分比快速增加。4.物质的热效应都有哪些？热膨胀，热传导，热容，耐热性5.什么叫荷叶效应，及其在工程中的应用？荷叶效应是指荷叶表面具有超疏水以及自清洁的特性。由于荷叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠，水与叶面的接触角(contactangle)会大于140度，只要叶面稍微倾斜，水珠就会滚离叶面。因此，即使经过一场倾盆大雨，荷叶的表面总是能保持干燥；此外，滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走，达到自我洁净的效果。6.什么叫Young方程？接触角的大小对固体的润湿性能好坏有怎样的关系？Young方程是描述固气、固液、液气界面自由能γsg，γSL，γLg与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程。利用接触角的大小可以估计润湿程度：a90°，称为润湿，如：水在玻璃表面上；a90°，称为不润湿，如：汞在玻璃表面上；a＝180°，代表完全不润湿，尚未出现完全不润湿的固体；a＝0°，代表完全润湿，如：液体在固体表面的铺展；a10°,为超亲水；a150°，为超疏水。7.生物复合纤维、叠层复合、含填充剂生物复合纤维、胞状材料的经典案例？举例说明…生物复合纤维的例子有蝗虫腱，草叶，角，丝。蝗虫腱是典型的复合纤维材料，其原纤维是几丁质，基体为蛋白质。几丁质由氢键结合，化学性质稳定。几丁质中含有较多的羟基基团，排列周期与氨基酸相同，具有类似β-折叠结构。蛋白质中含有β-折叠区域，与几丁质相互作用，并附着在几丁质上（蛋白质块体呈球状，形成基体并分布于纤维之间）。基体和几丁质之间键合很好，拉伸断裂几乎没有纤维从基体拔出；基体和纤维之间无界面滑移，不会出现应力集中和脆性断裂。纵向模量为11Gpa,纤维体积分数为17%。干草和角的断裂类似:干草易粉碎，新鲜的草韧性大；含水量大则基体变软，刚度下降，有效的消除应力集中。天然丝：柔软、强韧的力学性能,蜘蛛喂石墨烯/碳纳米管吐出超强蜘蛛丝.叠层复合的例子：防弹玻璃（聚碳酸酯纤维层夹在普通玻璃之中）。含填充剂生物复合纤维：帽贝齿（几丁质和带状革化蛋白质形成牙齿，铁和硅加入，牙齿硬度更硬，韧性更好），帽贝齿：全地球最强韧的生物材料；蠕虫jaws：高抗磨损性能。胞状材料的例子：木材（纤维素和木质素）。木材的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成的，它们对细胞壁的物理作用分工有所区别。纤维素是以分子链聚集成排列有序的微纤丝束状态存在于细胞壁中，赋予木材抗拉强度，起着骨架作用，故被称为细胞壁的骨架物质；半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中，借以增加细胞壁的刚性，故被称为基体物质；木质素是在细胞分化的最后阶段才形成的，它渗透在细胞壁的骨架物质之中，可使细胞壁坚硬，所以被称为结壳物质或硬固物质。木材细胞壁的组织机构分级基本纤丝，微纤丝，纤丝，粗纤丝，薄层，细胞壁层。温度降低，木材的断裂功增加，韧性改善，因为温度降低，有利于水分保持，刚度下降，韧性好，高温下，木材中的抽提物、果胶、半纤维素等会全部或者部分消失，从而引起木材强度损失。8.材料与结构的区别，个人见解？材料是用来制造物件、器具、构件、机器或者其他产品的那些物质，但是不是所有的物质都可以称为材料，材料是在使用过程中除了基本的损耗外不会不可逆地转化为其他物质。结构是指组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间结构，材料所具有的某种功能或者性能主要是由材料的结构所决定的。9几个概念稳定性：构件承受载荷作用而不发生平衡与变形形式转变的能力。【保持原有平衡形式的能力】刚度：构件承受载荷作用而不发生过大弹性变形的能力。【抵抗变形的能力】看物体是否发生变形；模量是反映材料力学性能的主要指标之一。它反映材料的抗形变能力。模量越高，表示材料的刚度越高，柔性越差。强度：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或断裂的能力。【抵抗破坏的能力】看物体是否被破坏.10.生物硬材料的特点：抵抗外力而不发生延伸或者流变；容易引入微小的力学缺陷（引入裂纹）。硬材料中的缺陷容易导致应力集中，导致脆性断裂。避免材料脆性问题的途径有：裂纹钝化，保护表面层免受伤害。11.基体的硬化：昆虫表面的刚化：交联，酚的硝化和脱水；胶的硬化，贻贝的足丝状体产生的胶通过脱水固化，并产生酚型交联。12.生物矿物材料是这种由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。13.生物矿物化学成分种类？1.方解石：单斜晶系（菱状晶体）–文石：正交晶系（针状晶体聚集成束）–球文石：热力学不稳定态（无光淡水珍珠，海绵针，鱼耳石）（球状晶体）–非晶碳酸钙：热力学不稳定态（植物叶子中的钟乳体）–一水合碳酸钙–六水合碳酸钙2.磷酸钙生物矿物中最常见的是磷酸钙类，这些不同形式的磷酸钙与矿物中对应的磷酸钙基本相同。最常见的是磷灰石类，其代表为羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]，以下简称HA，它的OH被F取代时形成的是氟磷灰石[Ca10(PO4)6F2]。除此之外，还有磷酸八钙、磷酸三钙、二水磷酸氢钙等3.铁和硅氧化物14.按照矿物成分癿有序程度/组织方式，可以把生物材料分为三类：多晶；单晶；非晶/无定形矿物（无定形二氧化硅）15.多种含碳酸钙生物材料中的有机大分子分为几类：富含天冬氨酸的糖蛋白或蛋白质；富含丝氨酸和谷氨酸的糖蛋白，富含多糖或蛋白质。16.调控大分子也叫框架大分子，常见的框架大分子有软体动物壳中富含甘氨酸和丙氨酸的蛋白质（结构上类似于丝蛋白），骨中的Ⅰ型胶原，甲壳动物中的α－几丁质和软体动物壳中的β－几丁质17.天然生物矿物为例，并对其中一种从微观结构角度分析其特点。贝壳和珍珠薄壳趋于由棱柱结构构成，同时还带有珍珠层或簇叶结构；超薄壳往往由交叉叠片（叠层复合）结构组成。贝壳可能是最原始的薄壳材料，它实际上由低强度的陶瓷组成。贝壳的结构是控制其强度的关键因素。珍珠及珍珠层由文石晶体与有机基质构成。无机相约占95％，有机基质含３种生物大分子：不可溶的多糖几丁质，呈β折叠片结构；一种富含甘氨酸和丙氨酸的不可溶蛋白质，具有反平行β折叠片结构；一种富含天冬氨酸等酸性氨基酸的可溶蛋白质，同样是β折叠片结构。珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结构。这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别在于，在贝壳的珍珠层中隔室是沿贝壳的壳面铺排构成层的，而珍珠中珍珠层包围核心物铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因为它也具有珍珠光泽。珍珠的成分为文石，具有叠成复合结构。骨有机质（骨胶纤维，无定形基质），无机质（羟基磷灰石晶体）牙和象牙人类的牙齿是一种基本的生物矿物，具有牙本质以及珐琅质外壳。磷酸盐（牙本质的无机部分主要是碳磷灰石）和有机质（胶质蛋白、弹性蛋白组成，成胶状体）蛋壳蛋壳由方解石构成，约占96～98％的体积百分比，其余是有机水合物。有机物质扩展分布于整个壳材料，矿物的断裂面沿壳的厚度方向发化，锥形的表面层结构像贝壳的棱柱层结构.18.牙釉质的（七）分级自组装结构：第1级：主要矿物：羟基磷灰石晶体；第2级：羟基磷灰石晶体纳米纤维；第3级：羟基磷灰石晶体纤维；第4级：羟基磷灰石晶体粗纤维；第5级：牙釉柱/釉柱间质连续体；第6级：釉柱阵列；第7级：牙釉质19.生物矿化是一个细胞调制下极为复杂的微组装过程，幵且随生物种类而变化；这个过程伴随着有机大分子在分子水平上对亍晶体形核和生长的精细控制.20.矿化的热力学定律21.生物矿化的四个阶段：1、有机大分子预组织。在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。2、界面分子识别。在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从溶液中析出，化在有机溶液界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。3、生长调制。无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时在形态、尺寸、取向和结构上受到有机分子组装体的控制。4、细胞加工。在细胞参与下亚单元组装成高级结构，该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。22.与生物矿化调控的相关因素？举例说明生物矿化过程是受基因、蛋白、有机基质和细胞等逐级调控的复杂分级过程。其中基因缺陷改变骨矿化。基因缺陷的骨骼疾病的形成主要由于骨蛋白异常或磷酸钙盐在胶原纤维上沉积能力遭到破坏。病理特征主要表现为两大类。一类疾病出现“软骨”特性，骨骼易屈服。比如软骨病等。另一类疾病则相反，往往出现“脆骨”特性，骨骼易脆断。骨形成缺陷症是一类典型的胶原蛋白基因突变的遗传性脆骨病，正常胶原纤维是由刚性的胶原分子按照严格的交互式排列组装而成的。这种排列方式类似于砌墙过程中砖和泥浆的关系。在OI疾病中，形成的胶原纤维或者“弯曲”或者“断裂”，导致了骨结构的不稳定。并且有二分之一到四分之三的胶原纤维存在缺陷。胶原纤维的缺陷越严重，胶原框架越不牢固，骨形成缺陷越严重。胶原突变对骨强度产生破坏性的影响还有以下几个原因：具有缺陷的胶原框架未能为矿物的沉积提供很好的模板，导致无机矿物沉积出现偶然性。具有缺陷的胶原纤维被体内正常的生理过程所探测并自动消灭，导致骨数量的减少。成骨细胞本身受到附近异常胶原分子的影响，成骨细胞不能够正常的分泌正常的胶原纤维并把它们释放到细胞外。这样，成骨细胞就充满了大量有缺陷的胶原纤维，而且还不能释放到细胞外，导致了这些成骨细胞难于分泌其它骨蛋白，分化速度低，新骨细胞形成速度大大降低。胶原分子结构或者数量上的缺陷主要是由于编码胶原的基因突变所致。错误的基因信号使细胞产生了异常的胶原蛋白，组装成缺陷的胶原纤维。23.参照生物学功能，按成分和形貌对结构蛋白进行分类,可以分成胶原、丝心蛋白、角蛋白、弹性蛋白、肌球与肌动蛋白和黏连蛋白等24.胶原的作用：结构作用（成熟的组织），定向作用（发育中组织）独特性质是能形成高强度的不溶性纤维。已知的胶原蛋白中含有两种构象，即三股螺旋和球形。成纤维胶原中基本结构单元即是三股螺旋的原胶原。一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。I型胶原是一个长约300nm、直径约1.5nm的杆状物，其中三条肽链都具有螺旋构象。所有胶原分子的多肽链中，每个第三残基总是甘氨酸，另两个残基中脯氨酸和羟基脯氨酸出现的频率也很大，即经常出现-gly-X-pro-和-gly-X-hypro-的顺序，其中X代表其他氨基酸残基。腱的分级结构：原胶原分子，微纤维，亚纤维，胶原纤维，肌腱，肌内膜，腱鞘。肠的分级结构：原胶原，微原纤维，亚原纤维，微纤维，亚纤维，纤维，纤维束231.有三类酶可降解胶原，即金属蛋白酶，中性蛋白酶和溶酶体组织蛋白酶。胶原的三股螺旋不受蛋白酶分解，唯一能破坏这三股螺旋的胶原酶是带有钙辅因子的锌蛋白酶。232.家蚕丝心蛋白主链中包含两个结晶区两个非结晶区为重复单元，共有22个重复单元，丝心蛋白是反平行式的β折叠堆积起来的β-角蛋白。重复周期是0.7nm，链间以氢键维持，层间以范德华力维系。233.角蛋白（三股右手a螺旋向左拧成原纤维结构，也就是aa组合的超二级结构）常见于脊柱动物的皮肤，毛发，角和蹄，含有硫或交联的酪氨酸残基，按物种可分为哺乳动物角蛋白，鸟角蛋白，爬虫角蛋白