由于化石资源的过度开发以及人们对环境问题的日益关注,利用可再生的生物基材料替代传统的石油基材料已经引起人们的高度重视。纤维素作为世界上储量最丰富的生物基材料,具有可再生、廉价、环境友好、生物可降解等优点,在造纸、食品以及生物领域得到了广泛的应用。随着纳米技术在生物质精炼方向的迅速发展,研究人员发现利用纤维素制备得到的纳米纤维素材料除具有纤维素的性质之外,还具有比表面积大、弹性模量高、生物相容性好、质轻等诸多优异特性。其中,纳米纤维素基水凝胶因其较好的生物相容性、生物可降解性以及优异的力学稳定性而成为生物医学应用领域(例如药物缓释、伤口愈合、组织工程支架等)的重要材料。本论文以纳米纤维素材料的生物应用为核心,致力设计和构造具有药物缓释功能的纳米纤维素基复合水凝胶载体材料,高效的利用纳米粒子聚多巴胺(PDA)和多孔聚多巴胺(MPDA)进行药物负载,同时利用PDA和MPDA本身的光和pH敏感特性,实现了药物在近红外光和不同pH条件下的可控释放。主要内容如下:首先,首次制备了多重响应型的具有药物缓释功能的PDA/TOCNFs平面复合凝胶膜材料。PDA一方面作为药物负载粒子对药物盐酸四环素进行负载,另一方面还可以作为PDA/TOCNFs复合凝胶膜的增强剂,提高复合凝胶膜的物理强度。实验系统的对复合凝胶膜结构进行表征,研究了PDA/TOCNFs复合凝胶膜的物理强度和药物缓释行为,并深入探究其药物缓释机理。实验结果表明:可以通过添加PDA和增加TOCNFs上羧基含量等方式来提高PDA/TOCNFs复合凝胶膜的药物负载率。PDA/TOCNFs复合凝胶膜可以在低pH缓冲液体系中或近红外光的照射下实现药物的特定释放。此外,PDA/TOCNFs复合凝胶膜在pH为5.0的缓冲液中,药物缓释时间长达30h。通过数学模型拟合发现,纯TOCNFs膜和PDA/TOCNFs复合凝胶膜的药物缓释机理主要是采用Case-II运输的方式。其次,采用物理交联的方法制备了一种多重响应型的具有药物缓释功能的PDA/TOCNFs三维智能复合水凝胶材料。TOCNFs提供三维网络结构,PDA一方面作为光敏剂和增强剂赋予复合水凝胶近红外光敏感特性并且增加了复合水凝胶的机械性能,另一方面又可以作为药物载体对盐酸四环素进行负载。研究发现,PDA的最大药物负载率为14.4%,药物包封率为21%,解决了上述复合凝胶膜的药物负载率低的问题(药物负载率为4%)。PDA/TOCNFs复合水凝胶具有较好的pH和近红外光敏感释药特性。此外,PDA/TOCNFs复合水凝胶在pH为5的缓冲体系中缓释时间长达24h,此时最大的药物缓释效率为77%。通过数学模型拟合发现,纯TOCNFs水凝胶和复合水凝胶在不同缓冲液体系中的释放机制遵循Korsmeyer-peppa模型,其释放参数均在0.45到0.89之间。因此,纯TOCNFs水凝胶和PDA/TOCNFs复合水凝胶在不同缓冲液体系中的药物缓释机理主要是采用非常规运输的方式。同时,PDA/TOCNFs复合水凝胶成功的应用于小鼠皮肤创伤实验,故PDA/TOCNFs复合水凝胶在皮肤组织修复领域具有潜在的应用价值。另外,复合药物水凝胶对大肠杆菌和金黄葡萄球菌具有抗菌特性。通过细胞毒性实验发现,纯TOCNFs水凝胶和PDA/TOCNFs复合水凝胶对人静脉内皮细胞(HUVEC)具有较好的生物相容性。再次,为了进一步提高药物负载率和延长药物缓释时间,制备了多孔聚多巴胺(MPDA),将带正电的聚乙烯亚胺(PEI)修饰到带负电的纤维素纳米微晶(CNC)上,得到带正电的PCNC。然后将正电的PCNC对带负电的MPDA进行包裹,得到MPDA@PCNC复合体。最后,采用钙离子进行交联得到具药物缓释功能的MPDA@PCNC/TOCNFs复合水凝胶。实验结果发现,MPDA对盐酸四环素的最大负载率为35%(包封率为58%)。由缓释曲线可以得出,在酸性缓冲液体系中,MPDA@PCNC/TOCNFs复合水凝胶的药物缓释时间长达30h,药物释放率为70%。通过数学模型拟合发现,MPDA@PCNC/TOCNFs复合水凝胶的药物缓释机理是采用Fickian扩散的运输方式,其对HUVE细胞表现出比较好的生物相容性。此外,为了进一步延长药物缓释时间,采用简单有效包载的方式将氧化石墨烯(GO)对MPDA进行包裹,制备得到具药物缓释功能的MPDA@GO/TOCNFs智能复合水凝胶。此载体材料的构建具有通用性,可应用于其他无机/有机智能复合水凝胶的构建。GO一方面用于包裹MPDA,用于延长药物缓释时间;另一方面作为增强剂,提高水凝胶的物理强度。实验结果表明,MPDA@GO/TOCNFs复合水凝胶具有较好的强度性能及其较好的pH和近红外光敏感释药特性。由缓释曲线可以得出,当MPDA和GO的比例为1:2时且在酸性缓冲液体系中,药物缓释时间长达72h,药物释放率高达77%。这表明MPDA@GO/TOCNFs复合水凝胶具有较好的药物缓释特性。通过数学模型拟合发现,MPDA@GO/TOCNFs复合水凝胶在不同缓冲液体系中的药物缓释机理主要是采用非常规运输的方式,其对HUVE细胞同样表现出比较好的生物相容性。最后,创新性的以PDA为模板调控原位生长纳米锌基MOF(ZIF-8),得到PDA@ZIF-8纳米复合体,然后采用PDA@ZIF-8纳米复合体对药物盐酸四环素进行负载,再经过钙离子交联制备得到具药物缓释功能的PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶材料。实验结果发现,PDA@ZIF-8对盐酸四环素的最大药物包封率和负载率分别高达89%和58%。PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶的药物负载率分别是MPDA@GO/TOCNFs复合水凝胶、PDA/TOCNFs复合水凝胶和PDA/TOCNFs复合凝胶膜材料的1.7倍、4倍和19倍。此外,PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶具有较好的pH和近红外光敏感释药特性。由缓释曲线可以得出,在酸性缓冲体系中,药物缓释时间长达85h,药物释放率为72%,并且在开始阶段没有严重的突释现象。PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶的药物缓释时间分别是MPDA@GO/TOCNFs复合水凝胶、MPDA@PCNC/TOCNFs复合水凝胶、PDA/TOCNFs复合水凝胶和PDA/TOCNFs凝胶膜材料的1.18倍、2.83倍、3.54倍和3倍。这表明该PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶具有较好的药物缓释特性。通过数学模型拟合发现,PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶在不同缓冲液体系中的药物缓释机理主要是采用非常规运输的方式。通过细胞毒性实验发现,PDA@ZIF-8/TOCNFs复合水凝胶对HUVE细胞没有毒性,表现出比较好的生物相容性。因此,本研究以纳米纤维素为三维网络结构,以PDA和MPDA为药物载体制备的复合水凝胶体系具有较高的药物负载率和较好的药物缓释性能,不仅可以拓展纳米纤维素的应用范围,而且为纳米纤维素基复合水凝胶材料应用于生物医学领域提供一定的理论依据。