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光医学治疗方式具有无毒、高效、灵敏、无副作用的优点,在疾病诊疗领域受到了广泛关注,例如光热癌症治疗、光动力治疗、光遗传等。然而,由于生物体组织对光的散射和吸收作用,使得可见光和近红外光区激光仅能穿透几毫米厚度的组织,因此需要通过植入光导材料实现深层组织下的光医学治疗。传统光导纤维材料主要包括硅基玻璃光纤和硬质聚合物基光纤,其模量高,生物相容性较差,易造成组织损伤。而水凝胶材料是一类由亲水性高分子和水组成的具有交联网络结构的软湿性材料,具有溶胀不溶解的特点,在生物医用、柔性器件及智能传感等领域具有广阔的应用前景。近年来,在水凝胶功能化发展的基础上,其研究热点逐渐聚焦于材料的宏观结构设计与制备。水凝胶纤维作为一种新型水凝胶基纤维材料,兼具水凝胶的功能特点（软湿、高含水和刺激响应等）和纤维的结构优势（高长径比、各向异性及柔性）,并在组织工程、柔性电子、生物医用等领域取得了一定应用。其中,基于皮芯结构制备的水凝胶光纤材料在光医学领域展现出广阔的应用前景。然而,水凝胶光纤的构筑与应用仍面临三大难题:（1）缺乏高效制备皮芯结构水凝胶纤维的技术路径;（2）由于单体聚合过程容易导致出现分子链缠结、孔结构不均一等缺陷,使得高透光水凝胶材料的制备难度较大;（3）受限于光导通路的稳定性需求,限制了功能相引入。针对以上难题,本研究从皮芯结构水凝胶纤维连续构筑新方法建立、凝胶纤维网络结构设计、功能改性以及生物应用探索四个方面展开研究工作,具体内容如下:1.“湿法-动态聚合”联用纺丝新方法构筑皮芯水凝胶纤维。依据皮、芯层纺丝液的流变学表征,以低粘度聚乙二醇双丙烯酸酯（PEGDA）溶液为芯层纺丝液,高粘度海藻酸钠溶液为皮层纺丝液,并采用横向喷丝方式,能够避免挤出不稳定现象发生,保证纺丝顺利进行。基于湿法纺丝设备,在纺程上设置紫外光源,建立“湿法-动态聚合”联用纺丝新方法,基于双扩散和离子交联机制实现皮层纺丝液成纤,基于自由基聚合实现芯层单体动态成纤,连续化制备皮芯结构水凝胶纤维;NMR、FTIR结果表明,皮层海藻酸钙纤维的快速成型能够有效降低芯层PEGDA单体的扩散,从而保证芯层单体动态聚合的有效性和充分性,单体转换率可达94%;进一步统计并分析了单体浓度、纺丝液挤出速度、卷绕挤出比等参数对水凝胶纤维理化特性的影响规律,总结了水凝胶纤维尺度的相关性模型,为皮芯结构水凝胶纤维的可控制备奠定了理论与方法基础。2.PEGDA水凝胶透光性优化及水凝胶光纤的制备和性能研究。在上述“湿法-动态聚合”联用纺丝新方法构筑皮芯水凝胶纤维的基础上,针对芯层PEGDA凝胶聚合后透光度差的问题,采用亲水性丙烯酰胺（AAm）改善PEGDA聚合致相分离现象,提高了芯层PEGDA凝胶的透光性;通过优化纺丝参数,调控皮、芯层凝胶的折光系数,连续纺丝得到了尺度可控、光导优异的水凝胶光纤,最佳光衰减低至0.18±0.01 d B/cm（光波长为650 nm,传输距离15 cm）,同时发现,凝胶光纤的光衰减随着芯层直径的增大（300μm–900μm范围内）逐渐减小;力学性能测试结果表明,其力学模量在0.61 MPa–2.58MPa间可调,与人体软组织模量相接近,具有优异组织相容性;溶胀和细胞毒性测试结果表明,水凝胶光纤在模拟人体环境中,具有优异的尺寸稳定性和低细胞毒性,能够满足长期服役的稳定性需求,在光医学领域展现出广阔的应用前景。3.NIPAM/DMAAm基温敏型水凝胶光纤的制备和性能研究。基于“湿法-动态聚合”联用纺丝构筑水凝胶光纤的基础,以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）作为温敏单元、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAAm）作为亲水调节组分,PEGDA作为交联剂,制备了温敏响应型水凝胶光纤。采用低温凝固浴能够快速耗散单体聚合热,避免NIPAM出现因高温导致的相分离现象,保证聚合在均相体系中进行,从而形成结构均一的温敏凝胶纤维。变温核磁结果表明,芯层凝胶网络具有温度门控光导效应,可实现不同温度下光导通路的智能开启或闭合,且光衰减分析结果表明其最佳光衰减低至0.173 d B/cm（光波长为650 nm）;同时,壳层海藻酸钙凝胶能够限制芯层凝胶的溶胀,从而维持光纤在湿态条件下的力学稳定性,平衡溶胀状态下,其模量接近人体软组织,在0.15 MPa–0.32 MPa间可调,且具有低细胞毒性。该纤维在智能光医学治疗领域展现出广阔的应用前景。4.水凝胶光纤在光医学领域的应用探索。基于上述开发的水凝胶光纤优异的光导性能和生物相容性,探索了其在深层组织下的光热癌症治疗和光遗传学应用。首先建立小鼠肿瘤模型,分别采用上述研究内容2和3制备的水凝胶光纤及温敏凝胶光纤,探索了其用于深层光热癌症治疗及可控光热癌症治疗中的应用可行性。红外热像仪记录结果表明,水凝胶光纤对体外915 nm激光具有高效的传输作用,实现了肿瘤部位光热升温及控温。病理切片结果表明,肿瘤消融效果明显,且水凝胶光纤对周围组织损伤明显小于硬质聚合物基光纤。随后,建立小鼠光遗传模型,将上述研究内容2所制备的水凝胶光纤植入小鼠大脑皮层,利用轨迹跟踪系统记录并分析小鼠在光遗传刺激过程中的运动行为,结果表明水凝胶光纤有效传输472 nm激光至小鼠大脑皮层,并激发了抑制性神经元细胞的活性,从而影响小鼠的运动行为。分析病理切片发现水凝胶光纤对脑组织的损伤远小于传统光纤材料。上述研究内容表明基于本课题中“湿法-动态聚合”联用纺丝新方法的建立,能够实现皮芯结构水凝胶光纤的高效构筑及功能化改性,在光医学领域具有广阔的应用前景。