水凝胶是一种拥有三维网络结构的高分子材料,具有高含水量及类细胞质基质的结构与性质。可注射水凝胶是一种可以实现体外注射,体内成胶的水凝胶材料。它拥有可微创移植,填充不规则创口,包载细胞、药物及生物活性分子等优点,在组织修复与药物载体等方面受到了广泛的关注。然而,受限于制备条件,可注射水凝胶的力学性能往往较差,且在生理环境下易发生溶胀与降解,不仅会损伤周围组织而且会降低自身的力学强度,因此极大地限制了它们的实际应用。在本论文中,我们以开发高强度的可注射水凝胶为主要目标,通过对高分子链与水凝胶结构的合理设计,依次得到了能在体外环境下拥有高强度,能在生理环境下保持不溶胀以及能在降解过程中的维持力学稳定的水凝胶,为构造更贴近实际应用的高强度可注射水凝胶提供了新的思路。本论文的研究内容和主要结论如下:首先,利用纳米颗粒POSS在水中的疏水自聚集行为来提升剪切变稀型水凝胶的力学强度。我们合成了聚乙二醇-双脲基(PEG-Bisurea)嵌段聚合物,并用POSS基团对其进行封端。该聚合物可以依靠分子链上双脲键间的氢键作用形成剪切变稀型的水凝胶,而端基POSS的疏水聚集作用则会形成另一重交联,提升凝胶网络的交联密度。最终,引入POSS的水凝胶的力学强度、温度稳定性以及耐侵蚀能力均大幅提升,而剪切变稀性能、自修复性能以及生物相容性却几乎不变。其次,设计并利用高密度的强胶束交联点来制备在生理环境下兼具不溶胀与高强度性质的可注射水凝胶。这种强胶束来源于嵌段聚合物PEG-UPy-PEG的自组装行为,受烷基链保护的UPy结构间的疏水与多重氢键协同作用为胶束自组装提供了动力。我们通过系统调控烷基链长度、PEG分子量等因素得到了在水中分散均匀的强胶束,并将其作为交联点来制备水凝胶。强的胶束交联点即可以抑制分子链在渗透压作用下向外膨胀的趋势,又可以在凝胶受力时通过变形来消除应力集中,实现高交联密度网络不被破坏的效果。最终得到的可注射水凝胶兼具不溶胀高强度特性,同时也体现出良好的组织粘附,细胞相容与生物可降解等特性。最后,利用胶束和四臂PEG构造双交联网络来制备能在降解过程中保持力学稳定的可注射水凝胶。水凝胶可通过一步混合法制备,其压缩强度高达40 MPa且几乎没有残余应变。同时,这种双交联结构一方面可以使凝胶在水溶液中保持不溶胀的状态,另一方面还赋予了凝胶缓慢且均匀的降解速度。前者保证了凝胶在生理环境下高力学强度,而后者则避免了凝胶在降解过程中力学性能下降过快的问题,两者共同赋予了凝胶在生理环境下的长期稳定性。此外,我们还将聚多巴胺分子引入到上述双交联结构中,来提升水凝胶的粘附性能。最终得到的水凝胶在保持高力学强度的基础上,也体现出了对不同材料的强粘附能力。由于不溶胀的特性,水凝胶的这种优异的粘附性能在水环境下依旧能够得到良好的保持。