生体物性材料工学 過去問と解説

正解5

誤りは「5」。生体軟組織のポアソン比は約0.5で、鉄鋼材料（約0.3）よりも大きくなります。縦横ひずみの比、材料固有の値、非圧縮なら0.5、生体で正の値、はいずれも正しい記述です。

正解4

正解は「4」。動脈圧波形は末梢へ伝播すると収縮期のピーク（②）が増高します（末梢での収縮期圧増強）。立ち上がりはむしろ急峻になります。

正解5

誤りは「5」。閾膜電位は静止電位よりも高い（脱分極側にある）ため「低い」は誤りです。Na⁺は細胞外が高濃度、脱分極でNa⁺流入、再分極でK⁺チャネルが働く、過分極は静止電位より低電位、はいずれも正しい記述です。

正解4

正解は「4」。細胞分裂が盛んな組織ほど放射線感受性が高く、小腸上皮が該当します。脳・肝臓・骨皮質・脂肪組織は感受性が低い組織です。

正解4

誤りは「4」。安全性試験は抜き取り（サンプリング）で行い、製品全数を個々に評価することはできません（多くは破壊試験のため）。物性・無菌性・溶出物試験を法（医薬品医療機器等法）に則って実施します。

正解2

正解は「2」。セルロース膜表面の水酸基（ヒドロキシ基）が補体を活性化する要因となります。このため補体活性化を抑えた酢酸セルロースや合成膜が用いられます。

正解4

誤りは「4」。エラスチンは弾性線維を構成するタンパク質で、膠原線維（コラーゲン）ではありません。ゼラチンは変性コラーゲン、シルクは縫合糸、キチンは多糖類、はいずれも正しい記述です。

正解5

正解は「5（ｄ・ｅ）」。応力緩和（ひずみ一定で応力が減少）とクリープ（応力一定でひずみが増大）は粘弾性に由来する現象です。降伏・破断・応力集中は主に弾塑性や強度に関わる現象です。

正解5

正解は「5」。生体組織の力学的挙動は、弾性要素（ばね）と粘性要素（ダッシュポット）の直並列モデルで表されます。血液は非ニュートン流体、軟組織は非線形、筋肉の音響インピーダンスは骨より小さく、エラスチンのヤング率はコラーゲンより小さいため、他は誤りです。

正解2

誤りは「2」。光子は静止質量をもちません（質量をもつは誤り）。光は波と粒子の両方の性質をもち、真空中の光速は一定で、エネルギーは周波数に比例します（E＝hν）。

正解5

正解は「5」。濾過圧＝(動脈側静水圧−間質液圧)−(血漿膠質浸透圧−間質液膠質浸透圧)＝(30−(−5))−(28−6)＝35−22＝13mmHg（正の値なので濾過方向）です。

正解4

正解は「4（ｃ・ｄ）」。植込み材料表面ではタンパク質が吸着・変性し、続いて血小板が凝集して血栓が形成されます。溶血・多糖の分解・プラスミン放出は主要因ではありません。

正解5

正解は「5」。正電荷をもつ原子核は電子を引き寄せます。イオン化傾向が大きいほど電子を失いやすく、電子を失うと陽イオン、電子が奪われるのは酸化、非金属は電子を得やすいため、他は誤りです。

正解3

正解は「3」。β分散は細胞膜など細胞構造（の充放電）に由来し、数百kHz〜数MHz帯にみられます。α分散はイオンの集散（低周波）、γ分散は水分子の緩和（数GHz）です。

正解5

正解は「5（ｄ・ｅ）」。エラスチンはコラーゲンより弾性率が小さく（柔らかく）、血管は粘弾性体でありクリープ現象を示します。変形は非線形でヒステリシスをもち、力学的に異方性です。

正解4

正解は「4（ｃ・ｄ）」。吸収線量Gy（グレイ）と等価線量・実効線量Sv（シーベルト）はいずれもJ/kgの次元をもつ固有単位です。

正解2

正解は「2」。比熱が大きいほど必要エネルギーは大きくなります。水分を多く含む血漿は比熱が大きく、選択肢の中で最も大きなエネルギーを要します。

正解2

正解は「2（ａ・ｂ・ｅ）」。接触の種類・期間によらず基本的に評価する項目として細胞毒性・感作性・刺激性（皮内反応）試験があります。埋植試験や血液適合性試験は接触部位に応じて追加されます。

正解3

正解は「3」。ガイドワイヤには形状記憶・超弾性をもつニッケル・チタン合金が用いられます。人工肺膜はポリプロピレン、人工歯根はチタン、血液透析膜はポリスルフォンなどが代表的です。

正解5

正解は「5（200Ω・cm）」。R＝ρL/Aより ρ＝RA/L＝1000Ω×2cm²÷10cm＝200Ω・cmとなります。

正解5

正解は「5（ｄ・ｅ）」。蛍光は励起状態から基底状態への遷移で発光し、そのエネルギー損失により励起光とは異なる（長い）波長で発光します。生体も自家蛍光を発し、波長は物質により異なります。

正解3

正解は「3」。細胞内から細胞外へのNa⁺の移動はNa⁺/K⁺ポンプによる能動輸送で、ATPを消費して濃度勾配に逆らって行われます。他は拡散・濾過などの受動的移動です。

正解2

正解は「2（ａ・ｅ）」。体外循環では血液が異物面に触れることで溶血や補体活性化などの生体反応が起こります。カプセル化・石灰化は長期埋植材料での反応です。

正解3

正解は「3（ｂ・ｃ）」。シリコーンはSi-O結合（シロキサン結合）をもち、オイル状〜ゴム状まで様々な形態があります。化学的に安定で加水分解されにくく、放射線滅菌にも比較的耐えます。人工血管には主にePTFEやポリエステルを用います。

正解2

正解は「2（ａ・ｅ）」。結合の強さは概ね 共有結合・イオン結合・金属結合（強い）＞水素結合＞ファンデルワールス結合（弱い）の順です。したがって金属結合は水素結合より強く、共有結合はファンデルワールス結合より強いです。

正解3

正解は「3」。オーバーシュートとは、脱分極が進んで膜電位が0mVを超えてプラス側に振れる部分をいいます。図では0mVより上に出ている部分Ｃが該当します。Ａは静止電位から活動電位の頂点までの全振幅、Ｂは閾値から頂点までの立ち上がり、Ｄは閾値（約−40mV）から静止電位（約−60mV）までの範囲、Ｅは静止電位よりさらに低くなる後過分極を表しています。

正解2

正解は「2」。生体は水や有機物が主体で磁性をほとんど示さず、比透磁率はほぼ1（1にきわめて近い値）です。5000程度というのは鉄などの強磁性体の値で誤りです。

正解4

正解は「4（ｃ・ｄ）」。体表面では空気の対流により熱が運び去られ、体内では血流による熱の運搬が最も大きな役割を果たします。ａの皮下組織でも血流の寄与が大きく、ｂの体表面からの放射は遠赤外線、ｅの放射エネルギーはステファン・ボルツマンの法則により絶対温度の4乗に比例します。

正解1

正解は「1」。生物学的安全性評価（ISO 10993／JIS T 0993）には、化学的情報の収集、細胞毒性・感作性・刺激性・発熱性・遺伝毒性・埋植試験などが含まれます。無菌試験は滅菌の妥当性を確認する試験で、生物学的安全性評価とは別の枠組みです。

正解2

正解は「2」。材料が血液に触れた直後にはタンパク質の吸着に続いて血小板が付着し、血栓が形成されます。肉芽形成・器質化・石灰化はいずれも数週間以上かけて進む慢性期の反応です。

正解1

正解は「1」。電離作用の強さはα線＞β線＞γ線の順です。α線は質量が大きく電荷も＋2で物質と強く相互作用しますが飛程は短く、γ線は電磁波で電離作用は弱い一方、透過力は最も大きくなります。

正解4

正解は「4」。血液が赤く見えるのは、赤色光の吸収が小さく反射・透過するためです。1は波長が長いほど深部に到達し、2はUVCのほうが表皮で強く吸収され、3の可視光は一部が皮膚内に入り散乱し、5の水は可視光をほとんど吸収せず赤外光をよく吸収します。

正解5

正解は「5」。グルコースは小腸や腎尿細管でナトリウムイオンとともに濃度勾配に逆らって運ばれる能動輸送（二次性能動輸送）の代表です。水・尿素・酸素・二酸化炭素はいずれも受動的な拡散や浸透で移動します。

正解5

正解は「5（ｃ・ｄ・ｅ）」。凝固の過程ではカルシウムイオン（第Ⅳ因子）が必須で、第Ⅹa因子がプロトロンビンをトロンビンに変換します。ａのヘパリンとｂのクエン酸はいずれも凝固を抑える抗凝固作用をもち、促進反応ではありません。

正解2

正解は「2」。ポリスルフォンは耐熱性・強度に優れ、透析膜の主要な素材です。1のセルロースは透析膜、3のポリ塩化ビニルは血液回路やカテーテル、4のポリグリコール酸は吸収性縫合糸、5のポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は人工血管に用いられます。

正解3

正解は「3（ｂ・ｃ）」。ポリエチレンテレフタレート（PET）はテレフタル酸とエチレングリコールが縮合したポリエステルで、ｃのエステル結合（−CO−O−）と、エチレン部分のｂの炭素−炭素結合からなります。ａはエーテル結合、ｄはシロキサン結合（シリコーン）、ｅはアミド結合（ナイロン）です。

正解2

正解は「2」。導電率は含まれる水分とイオンの量で決まります。血液は水分とイオンが最も多く導電率が高く、次いで骨格筋、脂肪は水分が少なく最も低くなります。したがって 脂肪＜骨格筋＜血液 の順です。

正解5

正解は「5（ｄ・ｅ）」。血管の外膜は強度を担うコラーゲン、中膜は伸縮性を担うエラスチンと平滑筋が主体です。ａの骨基質もコラーゲン、ｂの関節軟骨はⅡ型コラーゲンとプロテオグリカン、ｃの骨格筋はアクチンとミオシンで、いずれも組合せが誤りです。

正解1

正解は「1」。物体はその絶対温度の4乗に比例した強さの電磁波（赤外線）を放射します。この関係がステファン・ボルツマンの法則で、耳式体温計やサーモグラフィはこれを利用して非接触で体温を測ります。

正解3

正解は「3（ｂ・ｃ）」。腎糸球体では血圧を駆動力とした濾過、肺胞ではガス分圧差による拡散で酸素が移動します。ａの水分再吸収は浸透、ｄの毛細血管壁からの水分移動は静水圧と膠質浸透圧による濾過、ｅのNa⁺の細胞外への移動はナトリウムポンプによる能動輸送です。

正解1

正解は「1（ａ・ｂ・ｃ）」。不動態はチタン合金やステンレス鋼の表面にできる緻密な酸化被膜で、内部の金属が腐食するのを防ぎます。ｄの形状記憶効果はニッケルチタン合金の性質、ｅの熱硬化性は樹脂の性質で、不動態とは関係ありません。

正解2

正解は「2（ａ・ｅ）」。分子間力は分子どうしを引きつける比較的弱い力で、ファンデルワールス力と水素結合が該当します。ｂの共有結合、ｃの金属結合、ｄのイオン結合はいずれも原子どうしを結ぶ強い化学結合です。

正解3

正解は「3」。Sv（シーベルト）は吸収線量に放射線の種類ごとの生物学的な影響度を掛けた等価線量・実効線量の単位です。Bqは放射能、Gyは吸収線量、C/kgは照射線量、eVはエネルギーの単位です。

正解5

正解は「5（ｃ・ｄ・ｅ）」。水は赤外光を強く吸収し、核酸は260nm付近の紫外光を強く吸収し、ヘモグロビンは可視光（特に青〜緑）をよく吸収します。ａのメラニンは波長が短いほど吸収が大きく紫外光でより強く、ｂの紫外光吸収はタンパク質（芳香族アミノ酸）のほうが大きくなります。

正解4

正解は「4」。生物学的安全性評価では、接触する部位（表面・体内と体外を連結・体内）と接触期間（一時的・短期・長期）で分類して必要な試験を決めます。接触面積による分類は行いません。

正解1

正解は「1」。材料が血液に触れると、まず数秒のうちにアルブミンやフィブリノーゲンなどの血漿タンパク質が表面に吸着します。その吸着層を足がかりに血小板が粘着・活性化し、続いて凝固が進みます。

正解3

正解は「3」。人工肺のハウジングには、透明で内部が観察でき、強度と成形性に優れるポリカーボネートが使われます。ポリ乳酸は吸収性材料、セルロースは透析膜、ポリウレタンは血液回路やカテーテル、ポリビニルアルコールは塞栓物質などに用いられます。

正解5

正解は「5」。β分散は細胞膜の充放電（マクスウェル・ワグナー効果）によるもので、数百kHz〜数MHz付近で生じます。約20GHzで生じるのは水分子の配向に由来するγ分散です。

正解5

正解は「5（ｃ・ｄ・ｅ）」。音響インピーダンスは密度×音速で表され、その値が異なる境界面で音波は反射します。骨は密度も音速も大きいため筋肉より音響インピーダンスが大きくなります。ａの超音波は20kHz以上、ｂの頭蓋骨中の音速は約3000〜4000m/sです。

正解2

正解は「2」。線量当量（等価線量）の単位はSv（シーベルト）です。T（テスラ）は磁束密度の単位で、放射線とは関係ありません。

正解2

正解は「2」。体表面からの熱放散は、放射（輻射）・伝導・対流・蒸散（発汗と不感蒸泄）の4つです。散乱は光や超音波が進路を変える現象で、熱の放散経路ではありません。

正解5

正解は「5（ｄ・ｅ）」。材料が体内に入った直後には補体の活性化やアナフィラキシーショックなどの急性反応が起こります。ａのカプセル化（線維性被膜の形成）、ｂの石灰化、ｃの肉芽形成はいずれも数週間以上かけて進む慢性反応です。

正解4

正解は「4（ｃ・ｄ）」。生体活性材料は骨と直接化学的に結合する材料で、リン酸三カルシウムやハイドロキシアパタイト、バイオガラスが代表です。ａのアルミナ、ｂのジルコニア、ｅのパイロライトカーボンは、生体に害はないが結合はしない生体不活性材料です。

正解4

正解は「4」。体温37℃の物体から放射される電磁波はピーク波長が約10μmの遠赤外線です。紫外線が放射されるのは数千℃以上の高温物体で、サーモグラフィが遠赤外線をとらえるのもこのためです。

正解1

正解は「1」。放射線感受性は細胞分裂が盛んな組織ほど高く、骨髄・リンパ組織・生殖腺・腸管上皮などが特に高感受性です（ベルゴニー・トリボンドーの法則）。神経・心筋・脂肪は分裂しないため感受性が低くなります。

正解4

正解は「4」。メラニンは紫外線を強く吸収して細胞のDNAを守る働きをもち、可視光より紫外線の吸収が大きくなります。1はUVCのほうがDNA損傷を起こしやすく、2の遠赤外は熱作用（電離作用はない）、3の水は赤外光の吸収が大きく、5のデオキシヘモグロビンは可視光（特に赤色付近）をよく吸収します。

正解1

正解は「1」。医療機器の安全性評価では、接触する部位と接触期間によって必要な試験を分類し、物性試験・溶出物試験・生物学的試験を行います。接触面積による分類は行われません。

正解4

正解は「4」。フィブリノーゲンは材料表面に吸着して血栓形成のきっかけにはなりますが、材料そのものを分解・劣化させる作用はありません。活性酸素・水・酵素反応・材料の化学組成はいずれも生体内での劣化に関与します。

正解3

正解は「3」。シリコーンはケイ素と酸素が交互に並ぶシロキサン結合（Si-O結合）を主鎖にもつ高分子です。1は疎水性、2は有機高分子でセラミックスではなく、4の透析膜には使われず、5は弾性をもつゴム状（エラストマー）です。