关节软骨是关节面分散压力和减少摩擦的重要结构,但是关节软骨的自我修复能力有限。由于水凝胶与软骨性能相似,用水凝胶作为人工软骨替代材料成为修复软骨缺损的新方向。但是水凝胶的力学性能通常较差,难以替代关节软骨的承载功能。此外,如何将水凝胶固定于缺损处,实现水凝胶与宿主组织的一体化融合也需要深入探究。本文以聚乙烯醇PVA和丙烯酰胺AAm作为双网络的聚合物基底,用琼脂糖AG对水凝胶进行增强改性,制备得到的PVA-AAm-AG水凝胶具有0.63 MPa的拉伸模量和10.8 MPa的拉伸强度极限,具有1.19 MPa的压缩模量和8.87 MPa的抗压强度极限,与关节软骨的力学性能匹配。疲劳测试中1000次循环加卸载后水凝胶中未观察到裂纹,且在0.25应变时应力相比疲劳实验前仅降低1.5%,说明水凝胶具有良好的抗疲劳性。体外软骨细胞共培养实验表明材料具有良好的细胞亲和性。当替代水凝胶具有合适的多孔结构时,可以诱导细胞向水凝胶中生长,使替代材料和生物组织形成生物固定,实现结构的一体化融合。但是多孔结构会导致水凝胶的力学性能大幅下降。当替代材料在生物体内时,体液环境会使水凝胶溶胀,溶胀状态会导致水凝胶力学性能的进一步下降。因此,研发出溶胀状态下与关节软骨具有相似力学性能的多孔水凝胶仍是一个难题。在前一章的强力学性能的水凝胶基础上,利用二氧化碳作为结晶的晶核,在冷冻循环过程中引导水分冻结为冰晶,为水凝胶进行制孔,制得了具有100-200μm孔径,70%孔隙率的多孔结构水凝胶,该多孔结构适合软骨细胞生长和分化。多孔水凝胶在溶胀状态下具有0.54 MPa的压缩模量,满足天然软骨（0.51-1.82 MPa）的要求。为仿生天然软骨的各向异性结构,提出一种制备具有方向性纤维状微结构的聚乙烯醇-琼脂糖水凝胶的制备方法。依靠琼脂糖分子的交联特性,在前驱液中形成大分子糖链,利用前驱液的流动性产生方向性,在冷冻循环的过程中聚乙烯醇围绕琼脂糖的糖链进行结晶,形成了具有方向性的纤维状微观结构的水凝胶。拉伸实验说明在水凝胶条纹方向沿拉伸方向时,水凝胶的拉伸性能提升明显。各向同性的水凝胶具有0.21 MPa的拉伸模量和0.89 MPa的拉伸强度极限,断裂应变为226%,而相同材料配比的各向异性水凝胶在沿条纹方向具有0.36 MPa的拉伸模量和1.70 MPa的拉伸强度极限,断裂应变也提升至345%,这说明方向性纤维状微结构可以有效提升水凝胶的抗拉伸性能。