随着再生医学和智能生物材料的发展,具有电-力-化学多场响应特性的智能生物凝胶态材料在组织再生修复方面应用的越来越受到重视,尤其对于心脏、神经等具有力-电生理活动的组织,因智能水凝胶具有与生物组织相近的含水量和结构特点,以及与组织适配的力-电响应特性,成为目前其再生修复和功能重建材料的最佳选择。然而,目前力电响应水凝胶的力学强度不足,在体内的长期力学稳定性较差,生物相容性较差,对于水凝胶力电响应的机理及影响因素尚未有定论;而对于水凝胶力电耦合作用对于细胞生长的影响,尤其是体内生物电位、自发收缩和脉动作用下,纳米复合水凝胶在不同尺度上产生的瞬时形变、应力、形变和电荷电场状态对细胞生长、增值及粘附形态的影响尚不明确。本工作基于目前静电场下水凝胶力电响应的机理,先将磺化改性的细菌纤维素纳米晶作为介电功能粒子引入物理交联的水凝胶体系,在赋予水凝胶力电响应特性同时,通过分子间作用力对水凝胶结构进行调控,全面提升水凝胶力学性能、力学稳定性及生物相容性,并研究了内外部影响因素对水凝胶宏观、细观和微观力电响应的影响;然后构建了具有有序化结构的各向异性导电纳米复合力电响应水凝胶,并研究其在生理交变电场中形成的力电耦合作用对细胞生长和功能的影响,探讨和验证水凝胶结构和交变力电耦合场作用对心肌细胞、神经细胞的生长、骨架、形貌的影响作用。得到研究成果如下:1)使用细菌纤维素纳米晶(BCNC)对聚乙烯醇(PVA)水凝胶进行了复合改性,研究了细菌纤维素纳米晶对复合水凝胶微观结构、氢键、力学性能、耐疲劳性能等影响。适量BCNC的加入有效通过分子间氢键和交联点的增加,使水凝胶网络结构均匀有序,拉伸强度提高了 160%、杨氏模量提高了 97%、蠕变性能和耐疲劳性能也得到了显著的提高。2)对细菌纤维素纳米晶进行磺化改性后引入PVA水凝胶网络结构,赋予了水凝胶力电响应特性,研究了不同条件对水凝胶力电响应性能的影响及其机理:水凝胶的力电响应性能与水凝胶内部聚离子浓度、交联度和孔结构,以及外部电场强度、溶液pH和溶液离子强度有关。3)使用梯度力场诱导取向法对SBC-PVA复合水凝胶进行取向处理,再通过原位氧化聚合法在取向水凝胶上包覆聚吡咯导电层,获得取向型SBC-PVA-PPy导电水凝胶。取向型SBC-PVA-PPy导电水凝胶具有各向异性的电导率,沿取向方向的电导率最高可达3.4×10-3S/cm;其的力学性能也表现出各向异性,取向方向的拉伸强度最高比垂直取向方向高2.5倍;同时水凝胶也表现出力电响应的各向异性,垂直取向方向的最大弯曲应变比取向方向的高1.5倍。4)研究了力电响应水凝胶在交变电场下的力电耦合作用对心肌细胞(H9C2)和神经细胞(PC12)生长、细胞骨架及细胞微观形貌的影响。结果表明,交变电场水凝胶的力电耦合作用可以有效地提高两种细胞的粘附和增殖,而取向水凝胶的定向力电耦合作用可以进一步提高细胞的定向生长和增殖,促进细胞沿取向方向铺展和伸长,更加有利于心肌组织和神经组织的生成。综上所述,本文成功构建了功能化改性细菌纤维素纳米晶-聚乙烯醇水凝胶有序化力电响应复合水凝胶体系,提高了水凝胶的综合力学性能,获得了其力电响应性能及规律,并验证了复合水凝胶在交变场力电耦合作用下对心肌细胞和神经细胞的定向生长和增殖促进作用,为力电响应水凝胶在心肌组织修复和神经修复的应用提供了理论和实验依据。