水凝胶是一类由3D聚合物网络和大量水组成的软物质材料,与生物软组织在结构上有诸多相似之处。由于这种突出的特性,水凝胶可广泛用于生物医学工程领域,如药物输送,组织工程和人造肌肉。近年,由于具有生物可再生、生物相容、生物可降解和生物安全等性能,天然高分子的研究和开发日益引入瞩目。天然高分子主要包括纤维素、甲壳素、淀粉、蛋白质、海藻酸盐等。尤其纤维素,自然界储量最丰富的天然结晶多糖,近年来已经成为研究热点。本论文主要以天然高分子纤维素为原料,利用节能、环保、绿色和简便的方法,构筑兼具优异力学性能和功能性纤维素水凝胶,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)、固体核磁共振碳谱(13CNMR)、小角X射线散射(SAXS)、广角X射线衍射(WAXS)和力学性能测试等表征方法研究其结构与性能之间的关系,探究其在力传感器、组织工程支架、光管理以及抗菌材料等诸多领域的应用前景。本工作的主要创新点包括:(1)在探究纤维素溶液性质的基础上,首次构筑强韧、对外力刺激具有响应性的纤维素水凝胶,并设计一种新型力感应器;(2)提出“预牵伸+杂化交联”协同策略,诱导纤维素内部氢键沿力场方向排列而固定取向,简便、高效地制备出多种各向异性纤维素水凝胶,并成功诱导心肌细胞取向生长;(3)通过引入短链和长链二种化学交联剂调控水凝胶网络结构的交联密度,制备出高强度、高韧性的双化学交联纤维素水凝胶;(4)通过杂化交联增韧,取向增强的机理,首次构筑出兼具高强、高韧和高透明度的各向异性纤维素膜,实现各向异性纤维素膜强度和韧性的同时增加,并应用于光管理;(5)通过水热法在化学交联纤维素水凝胶中原位合成纳米银,冷冻干燥制备海绵状纤维素敷料,成功用于感染伤口治愈。本论文的主要研究内容和结论包括以下几个部分。纤维素溶解于碱/尿素水体系(-12℃)制备出透明的纤维素溶液。基于该纤维素溶液中纤维素分子刚性链容易平行聚集形成纳米纤维的特性,首次利用松散化学交联和致密的物理交联策略,构筑一种高强度、高韧性、力响应和具有多级结构的智能纤维素水凝胶。由纤维素纳米纤维构筑的致密的物理交联网络通过氢键的断裂-重排耗散能量,赋予纤维素水凝胶高强度;而松散的化学交联网络则维持水凝胶的弹性。由于这种独特的双交联结构,水凝胶受力形变时,物理和化学交联网络协同取向,赋予水凝胶敏感的力致光学异性行为。此外,水凝胶在小应变下具有高度稳定的偏光现象,并成功应用于较小外力的监测。这种多糖基水凝胶材料极大地拓展纤维素在智能软物质和生物医用等领域的应用范围。添加少量化学交联剂于纤维素溶液制备出松散化学交联纤维素凝胶。通过简单的预拉伸该凝胶和酸处理固定取向的策略,制备出多种具有永久取向结构的各向异性纤维素水凝胶。较小的外力可以驱动松散化学交联纤维素凝胶产生临时性取向结构,通过快速酸处理(<1min),凝胶内部包裹纤维素链的碱-尿素复合物快速破坏,致使裸露的纤维素分子链通过强自聚力沿着外力方向平行排列并紧密堆积,形成新的聚集态结构,并且“冻结”取向的结构。该纤维素水凝胶具有显著的各向异性结构、力学性质和光学性质。水凝胶的力学性能、含水率和结晶度通过调整预牵伸比可以精确调控。此外,通过在酸溶液中释放预拉伸的化学凝胶制备出具有周期性微米尺度皱褶结构的各向异性纤维素水凝胶。这种独特的多级结构可诱导心肌细胞的粘附和定向排列,显示出潜在体外定向培养心肌细胞的功能。本工作提供一种简便、绿色和高效的方法制备具有高度取向结构的纤维素水凝胶,并为构建生物医学工程和再生医学的各向异性纤维素水凝胶提供新策略。根据双化学交联策略,依次使用短链和长链化学交联剂交联纤维素分子链,成功制备出强而韧的纤维素水凝胶。通过3D拉曼显微成像技术观察化学交联点分布在水凝胶内部,并监测两次化学交联后交联区域变化。双化学交联纤维素水凝胶具有较低的含水率,致密的交联网络,以及优异的力学性能(拉伸强度、拉伸应变、压缩强度和压缩应变最高分别达到1.7MP3、94.5%、9.4MPa和91.9%)。由此提出,双化学交联纤维素水凝胶增强机制是通过先断裂短链化学交联键来耗散能量的,而含有长链化学交联键的网络结构维持水凝胶的弹性。双化学交联纤维素水凝胶能够改变“软而弱”的化学交联纤维素水凝胶的结构和性能,明显提高其强度,从而大大拓宽纤维素水凝胶的应用前景。利用碱-尿素水体系溶解的纤维素溶液,通过“自下而上”的制备过程(纤维素溶液-化学凝胶-预牵伸的化学凝胶-取向的杂化交联水凝胶-取向纤维素膜)设计并制造出具有长程有序纳米纤维结构的纤维素膜。水凝胶自然干燥过程中纤维素通过氢键作用使结构更加致密,并且紧密堆叠,形成沿着预牵伸方向规则排列的各向异性纤维素薄膜。双交联策略赋予纤维素膜高韧性(最大损耗能41.1MJ m-3)、高度有序的纳米纤维结构赋予纤维素膜刚性(最大杨氏模量13.9 GPa)和高强度(最大断裂强度253 MPa)。这种具有高度有序纳米纤维取向结构、兼顾强度和韧性的纤维素膜成功应用于光管理,极大拓展纤维素膜的应用范围。在纤维素碱/尿素水溶液中,以环氧氯丙烷为交联剂制备出纤维素化学交联水凝胶。以该水凝胶为基体,利用水热法和冷冻干燥技术成功制备再生纤维素/纳米银复合海绵。复合海绵内部具有贯通的微/纳米多孔结构,它不但为纳米银颗粒的合成和固定提供载体,而且赋予海绵优异的吸水性、保水性和透气性。复合海绵具有适宜的力学性能和生物相容性,并对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著抑菌能力。动物实验结果证实,与传统的纱布相比,复合海绵覆盖的伤口感染情况得到有效控制,加速伤口愈合。本工作提供一种简单和“绿色”的方式制备具有优异的抗菌性,可用作伤口敷料的理想材料。本学位论文使用最丰富的可再生资源纤维素为原料,利用“自下而上”方法,构筑包括纤维素水凝胶、纤维素薄膜和纤维素海绵等多种纤维素功能材料。并对水凝胶、薄膜和海绵进行了系列的基础研究,实现其在外力感知、诱导细胞取向生长、光管理和治愈感染伤口等方面的应用,取得创新性成果,因此本学位论文具有学术价值和应用前景,符合可持续发展战略。