生物基材料的功能化研究是材料科学和工业中的一个重要研究方向,随着材料科学和生物医学的迅速发展,在传统应用基础上,这类材料的研究致力向着功能化、智能化的方向发展。所有继续寻找这类生物聚合物新型应用的背后,是这类材料的生物相容性、生物降解性、无毒性、良好的可修饰性和自然广泛存在性。纤维素(Cellulose)为代表的生物基材料的功能化研究是材料研究的重要领域,各种新型非水性溶剂的发现,为开发新功能,特殊性能的生物基材料创造了良机。基于天然生物材料的特有性能,对其进行功能化研究,扩宽甚至突破它们原有的应用领域,具有重大的意义。本论文研究了纤维素的非衍生性溶解机理并建立了相关的溶解模型,以离子液体为主要溶剂,研究和制备了新型的功能化纤维素基水凝胶材料,并对纤维素水凝胶的形成机理、新型纤维素基水凝胶和气凝胶功能材料的制备、材料性能、功能化修饰、应用等方面进行了研究。本论文主要由七章内容组成:1.绪论。简述了纤维素、水凝胶、离子液体的一般特性,对纤维素的非衍生溶解、凝胶材料和离子液体在纤维素领域应用的国内外研究现状及进展进行了综述。在此基础上,归纳了水凝胶普遍特性,提出了以离子液体为溶剂制备新型纤维素生物基水凝胶的可行性和本论文的研究目标和主要内容。2.纤维素在水相溶剂中的演变过程和溶解机理的研究。以典型的水相溶剂:N-甲基氧化吗啉(N-methylmorpholine-N-oxide,NMMO)为溶剂,研究了不同结构和形态的纤维素在不同浓度的NMMO中的溶解行为和演变过程,建立无定型区和结晶区共存的两相结构生物聚合物溶解和纤维素溶胀性溶解的溶剂渗入模型。3.以离子液体为溶剂基于热力学分析阐明纤维素类多糖非衍生性溶解机理的研究。以一系列溶解性能差异的非水相溶剂-离子液体(ILs)为溶剂,纤维素以及其他类似结构的生物高分子为研究对象,结合密度泛函理论(DFT)对纤维素在离子液体溶解过程中的热力学变化进行了研究和分析,对纤维素的非衍生性溶解热力学溶解机理进行了详细的讨论,推导了熵、焓和温度等影响因素导致的不同溶剂对纤维素非衍生性溶解能力变化的热力学公式;同时还分析了其他影响纤维素非衍生溶解的因素。4.基于离子液体为介质的纤维素水凝胶膜的制备。以功能化离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmin]~+Cl~-)为溶剂,制备了结构均匀、机械性能优良、并具有良好透光率的内部多空纤维素水凝胶膜,研究了预凝胶温度、预凝胶时间、凝固浴温度等工艺条件对制备的纤维素水凝胶结构和性能的影响,并对纤维素水凝胶的形成机理进行了初步探讨,分析了纤维素分子内和分子间的氢键作用,以及由于纤维素分子链的两亲性导致的疏水单元的有序聚集形成的聚集片层对纤维素水凝胶的形成以及对形成的水凝胶的结构和性能所起的作用。5.新型手相向列结构纤维素凝胶的自组装及纤维素凝胶的形成机理研究。以离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]~+Cl~-)为溶剂,通过浸没沉淀相转移过程中纤维素分子调整自身的结构进行重排和自组装,首次制备了新型手性向列水凝胶和具有虹彩效应的手性向列气凝胶,采用同步辐照小角散射和广角X射线衍射测试(SAXS and WAXD),对以离子液体为溶剂的纤维素水凝胶的形成过程和形成状态进行了跟踪研究,对纤维素水凝胶的形成机理进行了探讨,并对手性向列凝胶的形成过程和形成机理进行了分析,建立了向列手性纤维素凝胶的形成模型。6.高强度纤维素/聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶膜的制备,性能及复合机理。以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐([Bmim]~+Ac~-)为溶剂制备了新型的cellulose/PVA复合水凝胶,纤维素和PVA在选定的离子液体中显示出相对良好的混溶性,在纤维素和PVA的分子链中的存在着大量的羟基形成的氢键的作用作为物理交联点形成了cellulose/PVA复合水凝胶。水凝胶中氢键相互作用产生的交联和疏水作用形成的聚集片层均增强了复合水凝胶的力学性能和热稳定性,这也是cellulose/PVA复合水凝胶形成的可能原因。7.新型纤维素/苯硼酸复合生物基智能水凝胶的制备及其对糖和pH的敏感行为研究。在室温条件下,以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim]~+Ac~-)为溶剂,通过电子束辐照制备了新型糖和p H值敏cellulose/4-乙烯基-苯硼酸(VPBA)型智能水凝胶。Cellulose/VPBA复合水凝胶通过纤维素分子内分子间氢键、纤维素和VPBA间的交联作为交联点、并且纤维素分子链和聚-VPBA分子链之间形成互穿网络。对制备的cellulose/VPBA复合水凝胶的溶剂、p H值等智能响应特性进行了研究,通过异硫氰酸荧光素(FITC)-胰岛素检测了cellulose/VPBA复合水凝胶在一系列不同浓度的葡萄糖溶液的胰岛素自调节释放行为。