生物材料學　申論題歷屆試題與參考架構

常見的生醫材料有金屬、陶瓷、高分子三種，以人工髖關節為例，仿照人工髖關節結構，將人造股骨柄結構插入股骨髓腔內，人造臼杯當成人工髖關節在骨盆處的地基，股骨球頭接合在人造股骨柄上，和臼杯內的墊片相互運動對磨實現股骨的活動。請分別說明人造股骨柄、球頭、墊片、臼杯可以使用金屬、陶瓷或高分子何種材料？並說明理由。 （20 分）目前臨床使用人工髖關節置換效果良好，一般可維持 10 年以上的使用，請說明磨損量最大的零件是那個零件？若是較年輕或是活動量較大的病友，建議考慮該零件使用那種材質？可以大幅降低磨損的情況。 （10 分）

（30 分）

生醫高分子材料植入體內後，許多性質會隨植入的時間進行變化，最後導致植入材料的失敗。請說明高分子植入體內後，高分子的分子量、結晶度、密度、機械性質會隨時間如何變化？並說明其變化的原因。（20 分）

（20 分）

臨床上乳癌患者進行腫瘤切除手術前，醫生可以先使用一些植入物先標記腫瘤的位置，方便手術時精準移除。現若以金屬、陶瓷、高分子三種材料製作標記植入物，手術前，若用 X 光和超音波尋找標記植入物，請問金屬、陶瓷、高分子三種材料之清晰度如何？（15 分）臨床上，若一植入物材質無法在 X 光下成像，不確定在體內的位置，但又一定需要使用此材料之植入物，可用什麼方法進行改良使其在 X 光下成像？（5 分）

（20 分）

將骨水泥用注射打針的方式，注射到脊椎骨骨折空洞處，是治療脊椎壓迫性骨折的一種治療方式，稱之為脊椎成型術，但是壓迫性骨折除了痛還會合併許多問題，像是因骨折造成的脊椎變形，就無法單靠脊椎成型術改善。因此新一代的灌骨水泥方式，稱為氣球撐開術，是先將一個特製的氣球置入脊椎骨折空洞處，將氣球撐開以恢復壓扁的脊椎，改善變形後，再灌骨水泥。請說明最常用之骨水泥主要高分子材料為何？（5 分）相較於脊椎成型術，請舉兩個氣球撐開術的優點。（10 分）請問氣球材料的玻璃轉移溫度要選擇較高的或較低的溫度與其理由。 （5 分）氣球材料的特性是耐酸的或耐高溫的？並說明理由。（5 分）若脊椎有感染發生時，如何進行氣球撐開術？（5 分）

（30 分）

請分別寫出兩種材料性質（bulk property）及表面性質（surface property）以及相對應物理定義，（16 分）同時說明相對應量測方式。 （9 分）

（25 分）

生物可降解陶瓷材料（biodegradable ceramics）的降解速率，主要受那些因素影響？（8 分）其中磷酸鈣鹽為最廣泛使用的一種材料，請依上述會影響降解速率的因素，將下列磷酸鈣鹽於相同條件下溶液中，溶解度由小到大排列 Hydroxyapatite, HAP：Ca10(PO4)6(OH)2； Tricalcium phosphate, TCP：Ca3(PO4)2； Amorphous calcium phosphate: CaHPO4，（3 分）並敘述說明原因。（4 分）

（15 分）

毒性檢測主要目的為量測材料是否會釋放出足夠影響細胞生長代謝路徑的化學物質，無論以直接或間接方式。因此依據 ISO 10993 有相對應的細胞毒性（tests for in vitro cytotoxicity）及系統毒性（tests for systemic toxicity）檢測規範，用以分別檢測作用劑量（delivered dose）和給予劑量（exposure dose）的反應。請問作用劑量和給予劑量與 ISO10993 兩種規範相對應關係為何？（5 分）並請敘述原因。（15 分）

（20 分）

在模擬材料的黏彈性質，最簡單的為二元黏彈模（two-element viscoelastic model）。請敘述 Vogit model 與 Maxwell model（10 分），並畫出相對應示意圖。（10 分）

（20 分）

藥物釋放載體設計常以載體降解速率做為控制藥物釋放速率。在不以酵素作用為主要分解機制的可分解高分子材料，請由材料物性或結構特性，寫出三項可影響降解速率因子，（10 分）同時寫下相對應可調控速率的方式。（10 分）

（20 分）

髖關節是人體中重要的關節之一，提供我們坐、走、跑、跳等日常生活活動，並須承受一定的身體重量。然而，由於老化或過度使用該關節，常導致其磨損與退化的情形產生，臨床上常因受損嚴重而進行人工髖關節的置換手術。請問人工髖關節包含那些部分？各部位的材質選擇為何？各部位的功能為何？請寫下你的理由並闡述其合理性。（25分）

（25 分）

請寫出生醫材料須符合的一般基本性質要素與需求。（25分）

（25 分）

聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）接枝是生醫領域常被用來作為生物性材料表面處理的方式之一，請寫出其分子結構特性，以及能提供的生物性功能。（25分）

（25 分）

膠原蛋白為生醫上常見的一種生物性材料，試述其特徵、功能，以及跟其他人工合成材料相比其優勢何在？（25分）

（25 分）

生物材料植入體內前往往須經適當的滅菌處理，請舉例三種滅菌方法，說明其適用的生物材料種類及其缺點。（15 分）若生物材料無適當的滅菌方法可以使用，則需如何處理？（5 分）

（20 分）

生物材料植入體內後，其表面最先與組織接觸，因此會影響生物組織進行不同的反應，請舉例四種檢測生物材料表面的方法，並說明檢測結果可提供生物材料表面什麼資訊？（20 分）

（20 分）

胃內置放水球是一種非藥物的減重治療方式，其放置過程是將高分子材質之球體收縮成細長型的條狀，從口經食道送入放置入胃中，再注入約400～700 毫升生理食鹽水於球內，然後將充水後的水球留置在胃內，藉由水球占據胃部中的空間增加飽足感，達到控制體重的成果。（每小題 5 分，共 20 分）

（一）請說明水球表面的設計是平滑的或顆粒狀的？並說明理由。

（二）請說明水球材質的設計是可降解的或不可降解的？並說明理由。

（三）請說明水球材料的玻璃轉移溫度要選擇較高的或較低的？並說明理由。

（四）請說明水球材料的特性是耐酸的或耐鹼的？並說明理由。

（20 分）

目前最常使用的人工合成降解性材料是聚乳酸、聚甘醇酸或其共聚合物等，若是以其單體直接脫水聚合而成，常有分子量過低，導致機械性質不佳之問題，請說明主要原因。（5 分）請設計兩步驟合成方法，改善此問題。（10 分）請說明其植入體內後，最終之降解代謝產物為何？（10 分）

（25 分）

生物材料植入人體之使用時間往往很久，開發時不太可能進行如此長的實驗時間進行評估，請舉出三種方法可以合理縮短實驗時間，進行評估生物材料長時間在人體的反應。（15 分）

（15 分）

某一合成高分子經過鑑定獲得下列分子量數據：分子量範圍（g/mole） 數量分率(xi) 重量分率(wi) 5,000~10,000 0.05 0.02 10,000~15,000 0.11 0.15 15,000~20,000 0.24 0.21 20,000~25,000 0.32 0.31 25,000~30,000 0.23 0.24 30,000~35,000 0.05 0.07定義高分子的數量平均分子量、重量平均分子量及多分散性指數（polydispersity index），並計算上述三數值。（20分）

（20 分）

請繪製金屬材料的應力應變曲線，並於曲線中標示降伏強度、彈性係數、最大拉伸強度及斷裂點。（20分）

（20 分）

請試述金屬材料的疲勞破壞過程，並說明金屬疲勞壽命的影響因素。（20分）

（20 分）

請比較生物惰性陶瓷與可吸收性陶瓷的差異。硫酸鈣是一種可吸收性陶瓷，請說明硫酸鈣植入體內後硬化成為骨水泥的原理。（20分）

（20 分）

不織布廣泛用於醫療耗材，例如外科口罩，請解釋外科口罩的結構與材料組成，並說明各層的製造方法及其具備的功能。（20分）

（20 分）

請試述下列名詞之意涵：（每小題 5 分，共 20 分）

（一）生物材料（biomaterial）

（二）生物相容性（biocompatibility）

（三）生物可吸收（bioresorbable）材料

（四）生物可磨損（bioerodible）材料

（20 分）

以應力-應變圖（stress-strain plot）說明材料之整體機械性質（bulk，mechanical properties）（10 分）並分別示意繪製韌性金屬（例如鈦合金，6 wt% Al, 4 wt% V）、陶瓷（例如氧化鋁 alumina, Al2O3）與高分子（例如高密度聚乙烯 high density polyethylene, HDPE）材料的應力-應變圖。（10 分）

（20 分）

說 明 植 入 物 （ implant ） 材 料 與 宿 主 （ host ） 組 織 間 之 交 互 作 用（interactions）。（30 分）

（30 分）

可以採用那些量測以定義材料之表面型態結構？（10 分）試列舉三種材料表面分析的工具（或儀器設備），並試述其功能。（10 分）

（20 分）

醫療器材經查驗登記核准之仿單為單次使用（single-use）者，應以一次性使用、拋棄為原則。為確保病人安全及維持醫療品質與病人權益，若意圖藉由再處理（re-processing）後進行標示外使用（label-off use），則此對於仿單核准適應症外的使用，應考量符合的原則為何？（5 分）除經濟可負擔性外，有關生物材料學對於安全性、效能性與倫理考量為何？（5 分）

（10 分）

現在愈來愈多的植入性醫療器材都是屬於結合不同材質或功能所形成的複合器材，例如機械性心臟瓣膜及人工髖關節等，都是屬於這類。請說明機械性心臟瓣膜及人工髖關節是各由何種材料所組成？（10 分）各有何種功能及目的？（10 分）

（20 分）

生物材料在應用時，材料與人體之間的相容性非常重要，依照國際標準 ISO 10993，針對材料跟人體接觸的時間長短，可分為那幾類？（6 分）每類所需要做的測試有那些？（14 分）

（20 分）

生物材料與人體之間的相容性一般可利用體外試驗及動物植入試驗進行測試。請問如何進行體外試驗？（10 分）體外試驗有那些限制或缺點？（10 分）

（20 分）

降解性生物材料要如何滅菌？（10 分）目前最常使用的人工合成的降解性材料是聚乳酸、聚甘醇酸或其共聚合物 PLGA 等，請問這類材料當作骨頭填充物或做成可吸收性骨釘時，最常碰到的問題有那些？（10 分）

（20 分）

設計一個理想的具有降解性的生物材料，必須考量那些要項？（20 分）

（20 分）

請寫出聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate, PET）的化學結構並說明其具有良好的彈性（flexibility）。（10 分）

（10 分）

請解釋金屬材料的脆性破壞與延性破壞。（20 分）

（20 分）

請解釋疲勞（fatigue）與應力性腐蝕破壞（stress corrosion cracking），並說明金屬植體在體內發生上述兩種破壞會比發生延性破壞更危險。 （20 分）

（20 分）

請解釋腫瘤之增強滲透與停留效應（enhance permeability and retention），並說明奈米藥物注射後，在體內正常組織與腫瘤組織分布的差異。 （15 分）

（15 分）

請比較生醫陶瓷與體內組織交互作用的三種型式：生物惰性、表面活性與可吸收性。（15 分）

（15 分）

請說明靜電紡絲（electrospining）的工作原理，並說明如何以該技術製備具有優選方向（preferred orientation）的傷口敷料。（20 分）

（20 分）

請說明量子點（Quantum Dot, QD），並舉例說明其在生醫上的作用機制與用途。（10 分）

（10 分）

聚氨基甲酸酯（Polyurethane, PU）是利用異氰酸鹽和多元醇合成之高分子，請列出其反應結構式，並說明其特性和生醫材料用途。（10 分）

（10 分）

一種好的創傷敷料必須符合什麼條件？且說明迄今尤以那些原因較難克服。（10 分）

（10 分）

生醫陶瓷（Bioceramics）材料分為生醫惰性材料、表面活性陶瓷材料及可吸收性材料三種，請各舉一例並詳述其功能。（10 分）

（10 分）

醫療器材產品種類繁多，涵蓋診斷、治療、預後等多面向的照護層面。近年來隨著多元化、跨領域的研發之投入與進步，高階（Class III）醫療器材產品（如高階影像等）開發日趨蓬勃。請依美國醫療器材管理區分 Class III 與 Class I、Class II 的不同，並再舉出兩種 Class III 的產品且加以陳述其特性、用途。（10 分）

（10 分）

請回答下列問題：（每小題 5 分，共 10 分）

（一）繪圖並說明聚酸甲酯（Polymethylmethacrylate, PMMA）的合成方法。

（二）區分 PMMA 與 Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)（PHEMA）結構與特性上之不同。

（10 分）

請說明聚酯類高分子（Polyester）的合成方法，至少舉出一例被應用為生醫材料並說明其特性。（10 分）

（10 分）

目前約占我國醫療器材總出口金額 40%之血糖檢測，其檢測原理分為光學法與電化學法，請擇一繪圖以說明其作用機制，並連同酵素之專一選擇的重要性，目前我國此產業所面臨的挑戰等，詳細說明之。（15 分）

（15 分）

何謂心血管支架（stent）？並請從功能與材料，以及目前我國健保給付狀況陳述。（15 分）

（15 分）

生醫玻璃（Bioglass）是生物反應性（bioactive）陶瓷，請問何謂生物反應性陶瓷？生醫玻璃作為植入材料的優點與缺點為何？（15 分）

（15 分）

骨科材料植入體內會遭遇那些問題？（15 分）

（15 分）

何謂生物反應器（bioreactor）？生物反應器的裝置與設計原理為何？（20 分）

（20 分）

暫時性傷口敷材依材料特性可以分成那幾類型？（20 分）

（20 分）

牙科骨內（endosseous）植體有不同造型，其目的為何？那些材料可以製成牙科骨內植體？（10 分）

（10 分）

請說明奈米銀粒子與奈米碳管特性，並舉例其在組織工程的應用。（20 分）

（20 分）

下列常見生物材料請列出其結構組成，並比較其生醫特性與用途。（每小題 5 分，共 20 分）

（一）聚對苯二甲酸乙二酯（polyethyleneterephthalate, PET）

（二）聚乳酸-聚乙醇酸（poly (Lactide-co-Glycolide), PLGA）

（三）聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）

（四）聚甲基丙烯酸氫氧基乙酯（poly (2-hydroxyethylmethacrylate), poly (HEMA)）

（20 分）

請以理想生醫材料的要件，如：生物相容性、惰性、無毒性、不產生過敏、不致癌、適當的機械性質、容易獲得且便宜等等，分項舉例詳述之。（15 分）

（15 分）

應用於醫療器材產品所需之材料可分為高分子、陶瓷及金屬三大類，然從研發到上市受到法規嚴格的規範，且整個流程必須完成多項試驗。請以此領域的角度，藉上述任一或數種材料擬定一項產品，設計整個研發的流程並加註說明必須完成的測試，以符合現行的規定。（15 分）

（15 分）

請分別陳述聚乙烯（polyethylene, PE）與耐龍-6,6（Nylon 6,6）兩種高分子之：

（一）個別的聚合機構。（5 分）

（二）該高分子屬於熱固型（thermosetting）或熱塑型（thermoplastic）？原因為何？（5 分）

（三）其各生醫用途。（5 分）

（15 分）

316L 為已被外科普遍用於植入體內之不銹鋼材，這裡的「L」所指何意？其成分中除含有 60-65% 的鐵外，依次尚有 Cr, Ni, Mo, Mn, Cu, C, N, P, Si, S 等 10 種其他金屬和非金屬，依高低不等的百分率所組成。請就 Cr, Ni, Mo, Si, C 於 316L 中所擔任的角色作說明。（15 分）

（15 分）

目前許多生物材料取材於細胞外基質（extracellular matrix, ECM），請就下列 ECM的基本結構和其在細胞培養時，體內所扮演的角色說明之。

（一）膠原蛋白（collagen）（5 分）

（二）透明質酸（hyaluronan, hyaluronic acid）（5 分）

（10 分）

近十年來微奈米科技已被應用發展於生醫治療或檢測用途，請舉出兩例，並說明之。（10 分）

（10 分）