2015年第249届美国化学会主题为“自然资源化学”,它向全球提出了21世纪人类生存的重要课题。随着现代工业和经济对可持续发展的要求以及石油煤炭等化石资源的日益短缺,天然生物质的开发和利用变得尤为重要。甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的天然多糖,它具有无毒、可生物降解和优良的生物相容性,在生物医用等领域有着十分广阔的应用前景。本工作利用NaOH/尿素水体系通过冷冻-解冻法溶解甲壳素,在“绿色”水体系中对甲壳素进行醚化改性,构建了一系列甲壳素衍生物温敏水凝胶,并研究了它们结构与性能之间的构效关系。同时,通过细胞实验和动物实验评价了它们在生物医用领域的应用前景。本论文的主要研究内容和结论包括以下五个部分：第一章,概述了甲壳素水凝胶和可注射水凝胶的研究进展及它们在再生医学领域的应用情况。第二章,我们利用NaOH/尿素低温溶解甲壳素,用氯乙酸钠对其进行均相的醚化改性,得到结构可控、乙酰度高、分子量大的羧甲基甲壳素(CMCH),并首次通过创新的1H NMR测试方法准确分析了产物结构。通过改变反应条件可以精确控制产物的羧甲基取代度(Ds)从0.035增加到0.74。取代度低、不能水溶的CMCH样品具有温度/pH双重敏感性,能够在体温附近的生理条件下发生溶胶-凝胶转变。体外细胞实验表明,该CMCH无细胞毒性,在生物医用领域具有良好的应用前景。第三章,我们研究了温敏型可注射羧甲基甲壳素(CMCH)水凝胶的凝胶性质,并将其应用于细胞的三维培养研究。CMCH水溶液在低温下呈低粘度可流动的液体,体温下迅速固化成为凝胶,其凝胶时间可以通过温度和羧甲基取代度进行调节,有利于细胞／药物的包载。CMCH水凝胶内部呈相互连通的三维孔洞网络结构、溶胀时体积稳定、能够被溶菌酶或透明质酸酶降解。细胞试验表明,CMCH水凝胶对细胞无毒,HeLa细胞在CMCH凝胶表面可以增殖构建成高活性的三维多细胞球,COS-7在凝胶内部三维培养时也表现出很高的增殖率和活性。小鼠体内注射实验表明,CMCH水凝胶在体内能快速凝胶,并且具有良好的生物相容性。因此,CMCH水凝胶有望作为可注射三维细胞培养支架和软组织支架材料在再生医学领域应用。第四章,在NaOH/尿素水溶液中采用环氧丙烷为醚化剂与甲壳素反应,成功制备了具有温度敏感性的羟丙基甲壳素,其具有温敏可逆的溶液-凝胶转变。我们利用光散射测试和流变学方法系统地研究了羟丙基甲壳素的温度敏感性和凝胶化行为。探索了甲壳素乙酰度、羟丙基取代度、大分子浓度、溶液中的离子强度等对羟丙基甲壳素的凝胶化过程的影响。其凝胶化机理主要是由于改性的甲壳素上还有大量的疏水性N-乙酰基与引入的羟丙基的亲水性之间的强弱竞争随温度变化达到平衡的结果。第五章,我们研究了羟丙基甲壳素的凝胶性质,并将其用于细胞三维培养和体内软骨生成的探索。羟丙基甲壳素水溶液在低温下是低粘度的液体,体温下迅速固化成为凝胶,该温敏转变过程可逆。羟丙基甲壳素水凝胶具有贯通的多孔三维网络结构,其强度和孔结构可以通过羟丙基取代度和大分子浓度进行调节。羟丙基甲壳素凝胶在生理条件下具有良好的稳定性,可以在溶菌酶的作用下降解。由于羟丙基甲壳素水凝胶具有高亲水性,在凝胶表面和内部培养细胞时,细胞都会自发聚集形成多细胞球,细胞增殖率较高。将羟丙基甲壳素溶液注入小鼠皮下后,可以快速原位形成凝胶,该凝胶可以在体内发生降解,并伴随有急性炎症反应,炎症在4周后逐渐消失。将负载软骨细胞的羟丙基甲壳素水溶液注入裸鼠皮下,8周后在注射部位生成类软骨组织,该组织中有大量的细胞外基质(ECM)、蛋白聚糖和Ⅱ型胶原沉积,表现出典型的软骨特征,表明羟丙基甲壳素可注射水凝胶有望作为软骨修复支架材料应用。本论文利用用NaOH/尿素水溶液作为溶剂低温溶解甲壳素,对其进行均相的醚化改性,成功制备了一系列温敏性可注射甲壳素衍生物水凝胶,这些水凝胶在细胞运载、体外细胞三维培养、软骨组织工程等再生医学领域有良好的应用前景。这些基础研究成果对设计与开发改性甲壳素类生物医用材料具有重要的学术价值及应用前景。