自然界中含有丰富的甲壳素/壳聚糖资源,壳聚糖(CS)具有优良的物理、化学与生物学性质,以其制备而成的水凝胶材料在环境治理、生物医药和组织工程等领域有重要应用,特别是具有层状复杂结构的壳聚糖凝胶,在细胞培养和药物释放方面显示出独特的优势。电泳沉积作为制备壳聚糖凝胶的新兴方法,具有凝胶生成速度快并且形貌可控的优点。目前,对于壳聚糖的电泳沉积机理还未完全弄清,对电场调控与凝胶微观结构形成方面还缺乏认识。论文通过在微流控装置中电泳沉积壳聚糖凝胶,利用定量偏光显微镜、布里渊光谱、荧光显微镜观测凝胶的形成过程,揭示凝胶形成与电泳沉积过程中电荷转移之间的关系,研究了盐离子浓度对凝胶电泳沉积的影响,认清了壳聚糖电泳沉积的机理。此外,通过电场对壳聚糖凝胶的结构调控作用,制备了具有层状结构的壳聚糖凝胶,并对其层状界面的形成机理及界面性质与应用进行了研究。主要研究结果如下:(1)研究了盐离子浓度对壳聚糖分子链的电场迁移及电泳沉积形成凝胶微观结构的影响。以荧光标记的壳聚糖为沉积对象,利用先进光学表征手段,如定量偏光显微镜(qPLM)、布里渊光谱仪(Brillouin spectroscopy)、荧光显微镜,在微流通道中(孔径大小为1×1 mm)对电泳沉积壳聚糖分子链在电极表面自组装过程进行了深入分析,揭示了沉积过程中壳聚糖分子的电泳行为及盐离子的屏蔽作用,制备了具有良好偏光性质和力学性能的壳聚糖水凝胶,证实了壳聚糖在不含盐条件下的沉积过程为电泳沉积(EPD:electrophoretic deposition),为在电极表面制备结构及性质可控的壳聚糖凝胶提供理论基础。(2)提出利用脉冲电信号(On-Off)在电极表面制备出具有多层仿生结构的壳聚糖水凝胶的新方法,并建立数学模型实现对壳聚糖电沉积过程的定量分析。依据法拉第定律,利用沉积过程中所消耗的转移电量(Q=∫idt)对壳聚糖分子实际沉积量(NDeport)进行控制,实验结果经沉积模型拟合具有良好的线性关系且只比理论值低17%;脉冲电信号的“通电”过程控制凝胶在电极表面生长,短暂的“中断”过程诱导形成层状界面,制备出厚度及层数可控的壳聚糖多层水凝胶。(3)研究了脉冲电信号短暂“中断”(Off)过程形成层状界面的机理及其性质。利用荧光标记壳聚糖分子,对电信号“中断”过程中凝胶内部pH值梯度变化及残余电场的影响进行了研究。实验结果表明:层状界面的形成是“中断”过程中电极表面pH梯度较快消褪和仍然存在0.5 V左右的残余电压综合作用的结果;通过改变“中断”过程的时间(Off time = 2s、5s、10s)可以制备出具有不同结构及性质(如厚度、力学强度)的层状界面,并且层状界面的厚度及力学弹性在一定范围内随着电信号中断时间延长而增加。程序化控制脉冲电信号的输入,可以在同一凝胶内制备出不同结构及性质的层状界面。(4)研究了层状界面对多糖分子在凝胶内部扩散行为的影响。通过荧光分子扩散实验,对不同分子量的荧光葡聚糖(FITC-Dextran)在多层壳聚糖凝胶内的扩散行为进行了研究。结果表明:层状界面能够有效减缓葡聚糖在多层凝胶内的扩散,在一定范围内,“中断”时间越长所制备的层状界面越致密,对葡聚糖分子扩散的阻碍效果越明显。不同分子量荧光葡聚糖从多层壳聚糖凝胶中的释放实验表明,葡聚糖的释放速率受层状界面的影响,可以通过电信号调控制备不同致密程度的层状界面,对葡聚糖在凝胶内的释放行为进行控制,表明该多层凝胶可以作为潜在的药物载体并应用于缓释控释体系。(5)制备了壳聚糖/纳米银复合多层凝胶并研究了其抗菌性能。以壳聚糖多层凝胶为模板,通过电化学方法在壳聚糖凝胶网络中原位还原银离子,制备出壳聚糖/纳米银多层复合凝胶。通过SEM、TEM、EDS等表征手段,发现所制备的纳米银颗粒(AgNPs)形貌呈规则球形并均匀分布于壳聚糖凝胶网络结构中。通过壳聚糖/纳米银复合凝胶的溶蚀及抗菌实验,证明了致密的层状界面可以减缓壳聚糖凝胶在弱酸性(pH=5.5)条件下的溶解行为,实现纳米银颗粒的缓慢释放,并表现出良好的抗菌效果。(6)研究了壳聚糖分子在琼脂凝胶网络结构中的pH响应行为及电信号调控制备壳聚糖/琼脂多层复合凝胶。利用共混的方法制备出壳聚糖/琼脂糖(CS/Agar)复合凝胶,发现其具有形状记忆、pH和温度双敏感性质。壳聚糖分子镶嵌在琼脂糖凝胶中仍然保持良好的pH响应性,通过外加电极并利用脉冲电信号,可以控制壳聚糖在琼脂凝胶中的自组装行为并形成多层结构,该多层结构在酸性条件下被消除,并且能够重新写入。