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水凝胶因含有大量的水份和良好的生物相溶性而在生物医学领域具有巨大的应用价值。类细胞外基质的多层次网络结构也使得水凝胶在模拟活体组织方面具有天然的优势。水凝胶的三维网络不仅可以为细胞提供良好的锚定位点,而且还可以将生物相关的化学和物理信号传递给细胞并促进细胞增殖和分化。然而,水凝胶比较明显的缺点就是机械性能比较弱,并且单分子水凝胶的功能比较单一,远不能满足实际应用的需求。但是,水凝胶还有一个优点就是包容性强,它可以与很多不同种类的材料进行共混或交联成胶,从而可改善其机械性能弱的缺点并实现多功能的构建。而人体组织非常复杂,存在多种层次结构且功能多样。因此多层次多功能复合水凝胶的开发与应用在生物医学领域受到广泛的关注。通常复合水凝胶的制备大体分为两种方法,一种是用不同种类高分子相互交联形成二元或三元水凝胶网络,第二种是通过向单分子水凝胶网络中填充纳米材料（如:金纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管等）。第一种方法虽然可以实现多种功能水凝胶的构建,但由于聚合物链本身力学性能的局限性,其很难满足一些高强度医学应用场景如组织支架。第二种方法虽然可以制备出高力学性能的水凝胶,但所需的大量填充材料可能会抑制聚合物链本身的一些性能。因此多层次多功能复合水凝胶的制备依然是一个难点和热点。本论文将从多层次和多功能两个方面来探索水凝胶的制备与应用,并展望其在生物医学领域的可能发展方向与挑战。1.首先,我们针对热点材料:金纳米颗粒和碳纳米材料,进行了一些性质和功能研究。通过控制还原剂、pH值、浓度和试剂配比等几个合成条件,采用两步还原法合成了金纳米星（gold nanostars）/多壁碳纳米管（Multiwalled carbon nanotube,MWCNTs）复合纳米材料。该材料具有良好的生物相容性和较高的光热转换效率,在光热治疗中具有良好的应用前景。由于合成过程中无表面活性剂添加,使得该复合纳米材料对细胞更加友好。在808 nm激光照射下进行加热试验,MWCNT/gold nanostars混合纳米材料的光热效率比纯gold nanostars高12.4%,是金纳米球的2.4倍。此外,低浓度（0.32 n M）的MWCNTs/gold nanostars表现出明显的杀伤肿瘤细胞的效果,这可能是由于金纳米星的表面等离子体共振吸收以及增强了的多壁碳纳米管与金纳米星之间的耦合效应共同作用的结果。这些结果表明制备的MWCNTs/gold nanostars具有显著的光热价值,可以作为一种新的光热制剂。然后,利用制备的金纳米星通过化学键修饰到聚丙烯酰胺（Polyacrylamide,PAAm）水凝胶的表面构建了一种具有微纳米尺度表面（微米尺度的PAAm孔隙结构和纳米尺度的金纳米星阵列）的多层次复合水凝胶体系,同时也探索了其对骨髓间充质干细胞的促分化作用。研究结果表明,高硬度的PAAm的凝胶能够促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。经过金纳米星修饰后的PAAm水凝胶表面粗糙度有了显著的提高,并能更加容易足进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。这种利用纳米颗粒与水凝胶的孔隙构建的多层次表面结构对于组织工程具有潜在的应用价值。2.开发了两种不同的策略制备了具有刺激响应性多功能复合水凝胶。第一种,利用α-环糊精（Alpha cyclodextrins,αCD）的两亲性特性,制备出了一种聚N-异丙基丙烯酰胺（Poly（N-isopropylacrylamide）,PNIPAM）和聚苯胺（Polyaniline,PANI）的双交联体系网络水凝胶。这种相互穿叉的双交联体系网络结构不仅保留了PNIPAM和PANI聚合物各自的的性能特点,也使得复合凝胶具有了优异、稳定的温度响应性能和导电性能(0.64 S m-1)。并且,αCD的引入促使了两种水凝胶网络之间的链接,提高了复合水凝胶的力学性能。其主客体结合的方式也使得复合凝胶在一定条件下实现自修复,修复后的水凝胶仍然能够保持一定的刺激响应性能和机械性能。第二种,通过将石墨烯气凝胶引入混合有聚多巴胺纳米粒子（Polydopamine nanoparticles,PDA-NPs）的PNIPAM网络中来制备一种多功能复合水凝胶。复合水凝胶表现出增强的力学性能和良好的导电性能。此外,复合水凝胶还表现出温度和近红外双响应性能,当复合水凝胶进行药物负载后,药物的释放可通过温度或近红外光的照射来调控。同时,在药物释放期间水凝胶的体积收缩也会导致水凝胶电阻的变化。然后,建立了药物释放浓度与水凝胶电阻的相关曲线,进而实现了药物释放浓度的实时监测。除此之外,PDA-NPS的存在也使得复合凝胶具有很好的黏附能力,并在伤口愈合实验中表现良好。