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天然壳聚糖经分子结构修饰可制得改性水凝胶,其作为组织工程支架生物医用材料可解决当前天然多糖水凝胶力学性能差及非天然化学高分子水凝胶低生物相容性的实际问题,实现性能优势互补。本研究选定高生物相容性壳聚糖为原料,对其进行二次化学分子修饰,设计合成三种新型水凝胶成胶因子,并创新性地设计、合成、制备获得双网络系列可精准调控智能响应型新结构、高性能天然多糖高分子化学改性水凝胶,并对其溶胀性能、流变学性能、降解性能、生物相容性等材料学性能进行较全面深入地研究。本课题研究为开发新型智能水凝胶生物支架材料提供理论依据,为拓宽卓越性能水凝胶原料,即天然多糖生物应用领域提供新思路。主要研究内容如下:首先以高生物相容性特征的天然壳聚糖为原料,采用两步法合成水凝胶成胶因子:(1)呋喃甲基酮酰胺化于壳聚糖侧链,引入含活性二烯体呋喃环,获得呋喃甲酰壳聚糖(Furan化);2)通过酰卤或甲基酮亚胺化二次修饰引入亲水基团或儿茶酚等可交联活性官能团,获得两种呋喃甲酰壳聚糖成胶因子。采用FT-IR、1H NMR、XRD对新型水凝胶成胶因子结构进行表征分析,它们分别是:呋喃甲酰壳聚糖(FC)、羧甲基呋喃甲酰壳聚糖(N,O-FC)、儿茶酚呋喃甲酰壳聚糖(Catechol-FC)。采用超声辅助法,将动态化学键Diels-Alder(DA)引入水凝胶结构,充分利用和发挥小分子HN=CO的有机氨化、金属离子配合物配位模板的结构桥连作用等,以双Mal化交联剂PEG为媒介,通过进行:1)呋喃甲酰壳聚糖(FC)成胶因子DA反应直接单交联;2)羧甲基呋喃甲酰壳聚糖(N,O-FC)DA反应与Schiff亚胺化异双交联;3)儿茶酚呋喃甲酰壳聚糖(Catechol-FC)DA反应与金属配位成键的异双交联等多反应机制创新性地制备获得不同系列、多样新颖结构、高生物相容等性能的天然高分子多糖自愈合智能功能性水凝胶,结构表征分析它们分别是:呋喃甲酰壳聚糖单交联水凝胶(FC-PEG)、羧甲基呋喃甲酰壳聚糖单/双交联水凝胶(N,O-FC-PEG SN/DN)、儿茶酚呋喃甲酰壳聚糖单/双交联水凝胶(Catechol-FC-PEG SN/DN)。通过DSC、TGA、UV-Vis、SEM等表征手段对水凝胶交联模式、表面形貌及热性能等进行深入的构效关系研究,发现水凝胶表面结构、溶胀性能与力学性能间存在密切关系,即水凝胶结构紧密程度与其力学性能强弱呈现正相关,与溶胀性能强弱呈现负相关。其中N,O-FC-PEG DN具有抗酸性能,Catechol-FC-PEG DN具有抗EDTA特性及p H响应特性,且N,O-FC-PEG DN和Catechol-FC-PEG DN均具有自愈合特性,力学性能均优于SN水凝胶。我们建立了多系列各异成胶机制、制备方法与目标性能可精准调控人工智能可调控性水凝胶。以此为基础,在水凝胶生物支架材料应用研究中,采用细胞毒性及荧光染色分析获得不同分子结构、交联模式及组成的目标水凝胶均具有高生物相容特性,水凝胶在模拟生物环境下负载开放及封装细胞培养较长时间,细胞仍保持旺盛生长。本研究最终获得兼具高生物相容性、力学机械性能卓越、生命环境安全、负载自愈合性能、智能可调控等优势的新型天然多糖智能水凝胶生物支架材料,其可作为仿生结构模型。