聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)基高分子材料不仅具有优异的力学性能、生物相容性以及稳定的化学性质,还具有与天然软骨相类似的微观结构。相比于其它人工合成材料更接近人体软骨组织,被认为是当前最具发展前景的软骨支架基体材料之一。但纯PVA高分子材料存在无生物活性、无法承受复杂载荷和不利于细胞黏附生长的缺陷。因此,在骨组织工程领域,针对PVA基软骨支架基体材料共混改性的研究已有很多,并取得了一系列显著的成果,而涉及微观、介观层面的机理研究几乎没有。随着计算机科学技术的发展,分子模拟技术在材料设计和开发过程中的发挥着极其重要的作用,其可以揭示一些传统实验无法获得的微观机理和本质。因此,本文以组织工程领域最为常用的PVA/聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)共混水凝胶基体材料为研究对象,利用微/介观分子模拟结合宏观实验的多尺度研究方法对PVA/PAM基软骨支架基体材料的结构、性能及作用机理等进行了理论计算和分析,为理想软骨支架基体材料的设计、制备提供可靠的理论指导和性能预估。文章的主要工作如下:(1)研究了PVA/PAM共混基体材料的微结构、性能及作用机理。通过分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟方法从微观分子相互作用层面对不同组分比PVA/PAM共混体系的结构、性质及作用机理进行了研究。分别从溶度参数、力学性能、自由体积分数、水分子的扩散等方面研究了共混体系中聚合物组分比对各项性能的影响,并建立了组分比与体系性质间的影响关系。通过分析共混体系中不同组分间的结合能、对相关函数揭示了不同组分间的作用机理,发现聚合物分子极性官能团与周围氢原子间的氢键相互作用是决定体系力学性能的内在根本原因。此外,还通过部分实验方法从宏观层面对共混材料的力学性能、表面形貌等方面进行了测试,验证了模拟方法和所建模型的准确性。(2)揭示了水分子在PVA/PAM共混体系中的扩散机理。利用MD模拟方法从扩散系数、自由体积、对相关函数等方面研究了组分比、温度对PVA/PAM共混体系中水分子的扩散行为的影响,从分子相互作用的角度揭示了水分子在PVA/PAM共混基体材料中的扩散机理。此外,通过捕捉水分子在不同时刻的坐标重现了水分子在PVA/PAM共混体系中的扩散轨迹,弥补了传统实验的不足,让我们对小分子的扩散行为有了更为直观的认识。最后,还通过接触角与平衡水含量的宏观实验,对不同组分共混体系的亲水性进行了表征,从侧面验证了部分模拟结果。研究结果表明水分子的运动能力、聚合物的柔顺性以及聚合物官能团的亲水性是影响聚合物共混体系中水分子扩散行为的内在根本原因。实验测试结果表明共混薄膜表面水接触角主要受材料亲水性的影响,而平衡水含量则主要受体系自由体积分数的大小影响。(3)探索了nano-silica在PVA/PAM共混体系中的作用机理。通过改变PVA/PAM共混体系中的分子链数目构建不同nano-silica含量(0~13%)的PVA/PAM/silica共混复合材料模型以及摩擦模型,借助MD方法分别从体系中组分浓度分布、力学性能、摩擦性能、自由体积分数、高分子链动态特性、X射线衍射模拟的不同角度研究了nano-silica对PVA/PAM共混体系性能的影响。结果表明共混体系中添加nano-silica能够改善共混体系的力学性能、密度、半结晶特性以及摩擦性能,产生这一现象的主要原因是聚合物与nano-silica表面存在较强的氢键相互作用。且相对于PVA分子链,PAM分子与nano-silica界面的相互作用力更强,因此nano-silica的加入会在一定程度上影响共混体系中两种聚合物的分布。这有助于我们更好的理解共混体系的微观结构以及nano-silica在PVA/PAM共混体系中的作用机理。(4)研究了nano-silica在PVA/PAM共混水凝胶中的团聚行为,建立不同影响因素与nano-silica团聚行为间的响应关系。借助耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法从介观层面研究了PVA/PAM/silica共混水凝胶体系中nano-silica的团聚现象,从体系中nano-silica的介观形貌和相对浓度分布函数等方面探讨了共混水凝胶体系中nano-silica含量、聚合物组分比、温度、剪切速率等因素对体系中nano-silica粒子团聚行为的影响。结果表明,在298K温度环境中,体系中nano-silica含量低于1.5%时,它的分散性较好,这与电镜扫描实验的结果是相符的。而当体系中nano-silica含量固定时,nano-silica的分散性随着共混水凝胶体系中PAM含量的增加而变得更好,这主要是因为PAM与nano-silica较强的相互作用力限制了nano-silica的扩散运动,从而减少了体系中nano-silica珠子间接触的机会。此外,共混体系中nano-silica的分散性随着体系温度的升高而变得更好,这主要是因为体系中珠子间的相容性随着温度升高而变得更好。最后,剪切率对共混水凝胶的影响结果表明,当剪切速率低于0.12时,体系中nano-silica的分散性随着剪切速率的升高而变差。然而当剪切速率高于0.12时,nano-silica的分散性随着剪切速率的升高而变好,但同时也使得共混水凝胶体系中聚合物的均匀性遭到破坏。