近年,新型多功能复合材料的构建及其结构与性能之间的构效关系已引起广泛关注,并成为材料研究领域的热点。复合材料的独特优势在于它可以发挥各个组分的结构和性能特点,提供单一组分的材料难以具备的性能,从而拓宽材料应用范围,因此广泛应用于生物医用、新能源和环境保护等领域。面对不可再生化石资源的日益消耗以及非降解塑料引起的环境污染日益严重,可再生生物质资源展现出巨大的应用前景,尤其是基于天然高分子的研究与开发日益引人注目。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后的衍生物,是自然界中唯一带正电荷的碱性天然多糖,它具有良好的生物相容性、生物可降解性和无毒等优良性能,近年已经成为研究热点。本工作以壳聚糖为原料,采用本实验室开发的“绿色”溶剂体系低温溶解它,并且构建出一系列壳聚糖基多功能复合材料。同时,采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、光学显微镜（OM）、固体核磁共振碳谱(13C NMR)、X射线衍射（XRD）、X-射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、紫外-可见光谱（UV）、N2吸附和力学性能测试等表征方法研究材料结构和性能及其构效关系。同时,评价这些材料在生物医学、污水处理、分析检测和智能响应等诸多领域的应用前景。本工作的主要创新点包括:（1）利用壳聚糖在碱/尿素水溶剂体系中呈电中性行为,成功引入带负电荷的卡拉胶,通过化学交联构建高强度、高韧性的新型聚电解质复合水凝胶,并证明它有利于软骨修复;（2）首次利用碱/尿素水溶剂体系的壳聚糖/卡拉胶均相溶液,通过乳液法构建出两性复合微球,并证明它对阴、阳离子染料和金属离子具有很强吸附能力;（3）首次以壳聚糖微球为基底,通过静电层层自组装在其表面沉积银纳米粒子,利用微球独特的pH响应性溶胀行为构建出表面具有功能性褶皱结构的银纳米层复合微球,证明它能用于表面增强拉曼光谱（SERS）;（4）通过热致凝胶法诱导壳聚糖分子链在碱/尿素水体系中平行自组装形成纳米纤维,构建壳出聚糖纳米纤维微球,并证明它可作为3D细胞载体;（5）创建出壳聚糖/聚N-异丙基丙烯酰胺双层水凝胶,证明它具有温度和pH双重响应智能行为,并可以设计为仿生机械手。本论文的主要研究内容和结论包括以下五部分。以碱/尿素水溶剂作为共溶剂,利用壳聚糖在该溶剂中呈电中性的行为,成功引入带负电荷的天然高分子卡拉胶并制得均相共混溶液。通过化学交联构建出高强度、高韧性的壳聚糖/卡拉胶复合水凝胶。基于壳聚糖与卡拉胶之间存在较强的静电相互作用以及化学交联,复合水凝胶具有优良的相容性并展现出多重交联网络结构,具有优异的力学性能和稳定性。通过改变壳聚糖与卡拉胶的组分比,可以有效调控复合水凝胶的多孔结构、亲水性、透光性和力学性能,有利于其实际应用。同时,生物试验结果表明,该复合凝胶具有良好的细胞相容性,不仅能够促进软骨细胞ATDC5的粘附、增殖与生长,还可以促进体外ATDC5细胞的成软骨分化并增强软骨相关基因表达。这种壳聚糖/卡拉胶复合水凝胶有望作为组织工程支架材料应用于软骨修复。由此,它在生物医学领域有应用潜力。利用壳聚糖和卡拉胶在碱/尿素体系下均相的共混溶液,引入磁性Fe3O4纳米粒子,通过乳液法制备壳聚糖/卡拉胶磁性复合微球。SEM和TEM结果显示平均直径约为180 nm的磁性Fe3O4纳米粒子紧密地镶嵌在微球网络结构中,并且分布均匀,使微球具有良好的磁响应性,便于回收循环再利用。吸附实验结果显示,该两性复合微球表现出对阴、阳离子染料和金属离子的高效吸附能力,并且具有良好的循环可重复使用性,是一种高效的广谱污水处理吸附剂。将微球作为柱填料并对其吸附性能进行探究,证明它可有效吸附和分离污染物,进一步拓展了该微球在实际中的应用。此外,该复合微球具有良好的生物可降解性,可以在土壤中完全生物降解,对环境没有危害。这种新型壳聚糖/卡拉胶磁性复合微球是一种性能优异、绿色环保的广谱型吸附剂,可用于多样化的污水处理,在水处理领域有潜在的应用。以碱/尿素水溶剂体系下构建的壳聚糖微球为基底,通过静电层层自组装（LBL）在微球表面沉积Ag纳米粒子层。利用微球对pH的响应性,构建出表面具有Ag层褶皱结构的壳聚糖纳米复合微球。SEM和TEM结果显示该微球表面具有均匀的多尺度褶皱结构,硬质的Ag纳米粒子层与弹性的壳聚糖微球基底之间存在明显的溶胀性差异,这为表面微/纳米级褶皱结构的形成提供了足够的驱动力。通过调控LBL自组装次数,可以调节微球表面Ag纳米粒子层的厚度,从而有效调控表面褶皱结构的形貌。同时,褶皱结构的形成明显增大了微球的比表面积和表面疏水性。此外,评价了复合微球作为三维表面增强拉曼光谱（SERS）基底在分析检测中的应用。结果表明,褶皱结构的形成可以有效增强分析底物的SERS信号,具有优良的重现性。因此,这种表面具有多尺度可控褶皱结构的壳聚糖微球在分子检测、电子传感、光学器件、细胞识别和自清洁涂层等领域有应用前景。基于壳聚糖在碱/尿素水溶剂体系中低温溶解机理,通过升高温度使壳聚糖分子链周围由氢键作用形成的护套结构破坏,诱导壳聚糖分子链平行自组装排列形成纳米纤维,同时采用乳液法进一步构建出高强度壳聚糖纳米纤维微球。SEM结果显示壳聚糖纳米纤维微球表面和内部都表现出均匀的纳米纤维结构（直径约为30 nm）,且具有较高的比表面积(395 m2 g-1)。通过AFM和TEM表征了它在加热过程中纳米纤维的形成,进一步证实热诱导壳聚糖分子链平行聚集自组装形成纳米纤维的机理。并且,微球的尺寸和纳米纤维的直径可以通过改变实验参数、温度和溶液浓度来进行调控。细胞生物试验表明,这种壳聚糖纳米纤维微球可以有效地支撑成骨细胞MC3T3-E1粘附和生长,并促进MC3T3-E1细胞进行三维粘附和增殖,具有良好的生物相容性。因此,该壳聚糖纳米纤维微球可以作为优良的3D细胞微载体应用于骨缺损的修复,在组织工程材料领域具有应用价值。以碱/尿素水溶剂体系下构建的壳聚糖（CS）水凝胶为基底,通过原位合成反应引入具有温敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）,制得具有温度和pH双重响应的双层智能水凝胶（CS/PNIPAM）。SEM结果显示CS水凝胶层与PNIPAM水凝胶层在界面形成了半互穿聚合物网络（semi-IPN）结构,导致双层水凝胶紧密粘合在一起,具有优良的界面粘附力。由于PNIPAM水凝胶的温敏性,双层水凝胶可以在高温下展现出快速响应的自形变行为,同时在低温下又能恢复到初始形状,具有可逆的温度响应性。此外,基于CS水凝胶与PNIPAM水凝胶在不同pH条件下的溶胀度的较大差异,该双层水凝胶在pH诱导下同样可以展现出双向可逆的自形变行为,表现出优良的循环稳定性。利用水凝胶对温度和pH的双重响应行为,设计和制备出能够抓举物体的仿生机械手。细胞毒性试验表明这种双层水凝胶安全无毒,具有良好的细胞相容性。这种具有多重响应的双层结构水凝胶在生物医学、软体机器人等诸多领域具有广阔应用前景。本学位论文采用碱/尿素水溶剂体系溶解壳聚糖并且构建出几种多功能复合材料。利用壳聚糖在该溶剂体系下可形成纳米纤维的独特优势,成功构建出一系列包括水凝胶、微球等高强度的多功能复合材料。大量实验结果证明这些材料在生物医用、水处理、分析检测和智能响应等方面具有应用前景。以上基础研究结果具有明显创新性和科学价值,并且为设计新型壳聚糖多功能复合材料提供了新思路和新方法,同时符合可持续发展战略。因此,本学位论文具有重要的科学意义和应用前景。