组织工程支架作为宿主细胞粘附生长的载体,其材料性能、孔隙结构对细胞的生长增殖有重要的影响。不同生物组织呈现出不同的泊松比效应,制备的支架除了要与生物组织的强度与刚度匹配,也需要模拟生物组织在外力下的力学行为,因此制备可调泊松比的多级孔隙组织工程支架对细胞的生长具有重要意义。源自于植物的纤维素纳米纤丝（CNFs）具有良好的生物相容性、亲水性以及较高的机械性能等特征,是制备多级孔隙组织工程支架的优质材料。将CNFs和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）进行共混,结合光固化和冷冻干燥可以制备组织工程支架。其中,纳米纤维素作为气凝胶前驱体水凝胶的增强骨架,保证支架结构的稳定性,有利于冷冻干燥时气凝胶孔隙的形成;而PEGDA作为一种水溶性固化树脂,通过化学交联构建了水凝胶的主体弹性骨架,可以实现纳米纤维素水凝胶的可控制备,对制备可调泊松比的纳米纤维素支架发挥重要作用。理论上CNFs和PEGDA两种功能性单体的共混可以实现优势互补,制备得到可调泊松比的多级孔隙组织工程支架。本文针对组织工程支架的材料、结构和性能的要求,展开了对具有多级孔隙不同泊松比结构的纳米纤维素气凝胶制备及应用的研究。采用中性TEMPO媒介氧化和高压均质结合制得高长径比的CNFs,并将其与PEGDA混合,配制共混固化液,通过掩膜-光固化技术实现纳米纤维素水凝胶的可控制备。在调控水凝胶制备条件的基础上,通过改变冷冻干燥的工艺条件,对CNFs/PEGDA气凝胶的孔隙结构进行调控,获得了具有高孔隙率、相互贯通的变泊松比CNFs/PEGDA气凝胶,其内部孔隙均匀分布且呈现出纳米级的纤丝结构。同时,通过有限元软件ABAQUS对该气凝胶进行力学分析,对比分析了CNFs/PEGDA气凝胶的泊松比及弹性模量。最后我们通过在多级孔隙结构的变泊松比CNFs/PEGDA气凝胶支架上进行干细胞培养实验,研究了气凝胶支架的泊松比和孔径大小对细胞生长增殖的影响。主要的研究成果如下:1.采用TEMPO/NaClO/NaClO2中性媒介氧化结合高压均质处理,制备了长径比大于80的纳米纤维素,将其与PEGDA共混,在高速搅拌下可以共混制得CNFs/PEGDA共混固化液。采用溶液浇注-模板法,结合光固化成型,制备得到柱状CNFs/PEGDA水凝胶;该水凝胶的保水值随CNFs用量的增加而增大,随PEGDA用量的增加而减小;其压缩模量则随纳米纤维素的增加而缓慢增大,随PEGDA用量的增加而大幅提高。结果表明加入CNFs能改善CNFs/PEGDA水凝胶的保水性能,交联组分PEGDA对CNFs/PEGDA的压缩模量贡献较大。2.以CNFs/PEGDA共混固化液为原料,通过掩膜-光固化获得具有轮廓清晰的变泊松比CNFs/PEGDA水凝胶。采用光学显微镜研究固化时间对水凝胶孔结构清晰度的影响,并确定了不同泊松比CNFs/PEGDA水凝胶的最佳固化时间,实现CNFs/PEGDA水凝胶的可控制备。3.通过冷冻干燥技术,将柱状CNFs/PEGDA水凝胶转变为相应的CNFs/PEGDA气凝胶。通过改变水凝胶的制备条件及冷冻干燥工艺,可在微米尺度范围内对该气凝胶的孔隙结构进行调控,同时调整气凝胶的压缩模量及拉伸模量。CNFs用量增加,气凝胶孔隙率提高,在用量为1 wt%时,气凝胶的孔隙分布均匀,孔隙率最高;CNFs长径比减小时,CNFs/PEGDA气凝胶的平均孔径增加;当PEGDA相对分子质量提高时,气凝胶的平均孔径下降,而压缩模量提升。当相对分子质量为700时,气凝胶的压缩模量和拉伸模量分别为0.42 Mpa和0.545 Mpa,满足软骨组织工程中支架机械性能的要求。当PEDGA用量>15wt%时,柱状气凝胶的孔隙率从最高的74.1%急速下降至28.6%,PEGDA用量为15 wt%时,柱状气凝胶孔隙间具有纳米级的纤丝结构;预冻温度越低,气凝胶的孔隙率和平均孔径越小。综合考虑气凝胶的平均孔径、孔隙率、孔隙结构以及压缩模量等因素,确定制备气凝胶的较佳工艺条件是:CNFs长径比为85.8,用量1 wt%;PEGDA相对分子质量为700,用量15 wt%;预冻温度为﹣20℃。4.在较佳的气凝胶制备工艺条件下,将轮廓清晰的变泊松比CNFs/PEGDA水凝胶通过冷冻干燥得到CNFs/PEGDA气凝胶,实现在微米和纳米尺度上对CNFs/PEGDA气凝胶孔隙结构的调控。研究表明制备的CNFs/PEGDA气凝胶支架具有不同的泊松比结构和微米级孔隙,而且支架的孔壁上均匀分布着纳米级小孔,孔隙的内壁上连接着相互搭接的纳米级纤丝。通过Auto CAD建立不同蜂窝结构的模型,使用有限元软件ABAQUS对变泊松比CNFs/PEGDA气凝胶进行力学仿真,结果显示正泊松比结构的气凝胶具有>1.9的泊松比值,负泊松比结构的气凝胶具有<﹣0.188的泊松比值,零泊松比结构的气凝胶的泊松比值接近0。气凝胶PPR400、PPR600、PPR800的弹性模量分别为0.183MPa、0.190 MPa、0.183 MPa;气凝胶NPR400、NPR600、NPR80的弹性模量分别是0.088MPa、0.086 MPa、0.0 86MPa。气凝胶ZPR400、ZPR600和ZPR800的弹性模量则依次为0.158 MPa、0.159 MPa、0.158 MPa。不同泊松比气凝胶样品的弹性模量和泊松比值均与气凝胶的网格尺寸大小关系不大。5.以人体脐带间充质干细胞（MSCs）为接种细胞,在制备的9组变泊松比CNFs/PEGDA气凝胶上进行干细胞培养。场发射扫描电镜结果显示,培养四天的MSCs主要以单个细胞的形式粘附在支架上,支架内壁的纤丝有利于MSCs粘附生长。激光共聚焦显微镜结果表明MSCs在不同结构的气凝胶支架上培养7天后仍具有较高的活性,粘附在气凝胶支架孔壁上的MSCs主要以接种细胞为中心沿着小孔孔壁向外增殖,接种时沉积在气凝胶支架内壁的MSCs沿着内壁上的纤丝迁移生长。细胞增殖测试数据表明,支架的泊松比和孔径对MSCs生长增殖产生重要影响。在孔径相同的情况下,零泊松比结构的气凝胶支架能为MSCs提供更好的生长环境,并且孔径为400μm的零泊松比结构气凝胶支架上细胞的增殖速率最快。6.本研究对变泊松比纳米纤维素支架的制备及其在组织工程中的应用具有重要的理论指导意义。