4D打印水凝膠登上《Nature BME》！

體表器官畸形修復(fù)是整形重建外科的核心工作，涵蓋先天性/后天性外耳、鼻翼、眼瞼缺損，以及疤痕、瘢痕疙瘩、巨大痣體、腫瘤切除后形成的大面積體表創(chuàng)面等，目前等待手術(shù)的患者數(shù)量龐大。

組織擴(kuò)張技術(shù)的出現(xiàn)革新了器官與組織重建外科，現(xiàn)已成為臨床不可或缺的治療手段。臨床通常將組織擴(kuò)張器植入皮下，通過(guò)逐步擴(kuò)張，預(yù)先培育皮膚軟組織：一方面增加皮瓣面積、改善局部血運(yùn)，為后續(xù)重建手術(shù)提供充足自體皮源；另一方面，擴(kuò)張器持續(xù)施加力學(xué)牽拉，延展周邊皮膚組織。

從微觀基因、細(xì)胞、胞外基質(zhì)到宏觀皮膚組織，生物體系會(huì)通過(guò)力傳導(dǎo)產(chǎn)生黏彈性阻力以平衡外力，最終促使表皮與真皮面積同步增長(zhǎng)。利用原位擴(kuò)張皮瓣進(jìn)行修復(fù)，可保證修復(fù)區(qū)域與受區(qū)皮膚色澤、紋理、感覺(jué)高度匹配，兼顧外形美觀與生理功能，同時(shí)降低供區(qū)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，提升整體手術(shù)效果。

隨著技術(shù)迭代，組織擴(kuò)張器經(jīng)歷了多代發(fā)展：從早期充氣式橡膠擴(kuò)張器，到近年可任意塑形的自溶脹水凝膠擴(kuò)張器。但目前臨床主流的植入式橡膠擴(kuò)張器，仍需經(jīng)皮膚穿刺外接注液口反復(fù)輸注生理鹽水完成擴(kuò)張。

多數(shù)患者（尤其是12歲以下兒童）難以配合反復(fù)穿刺操作，疼痛感強(qiáng)烈；同時(shí)，頻繁穿刺還會(huì)大幅提升擴(kuò)張器破損、漏液的風(fēng)險(xiǎn)。

可直接吸收周圍生物體液實(shí)現(xiàn)自主溶脹的水凝膠組織擴(kuò)張器，成為解決上述痛點(diǎn)的重要方向。研究人員已開(kāi)發(fā)多款自溶脹水凝膠體系用于重建手術(shù)：早期基于N-乙烯基吡咯烷酮-甲基丙烯酸甲酯（NVP–MMA）共聚物的水凝膠，接觸生理液后會(huì)快速溶脹；聚苯乙烯-馬來(lái)酸酐、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）等體系也被用于制備溶脹倍率與力學(xué)性能可調(diào)的自膨脹擴(kuò)張器。

然而，高溶脹倍率與優(yōu)異力學(xué)韌性始終難以兼顧：交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)稀疏的水凝膠雖溶脹能力強(qiáng)，但力學(xué)強(qiáng)度差；達(dá)到溶脹平衡后材料剛度大幅衰減，無(wú)法有效抵抗皮膚張力，難以滿足臨床要求。

為提升力學(xué)性能，學(xué)界陸續(xù)開(kāi)發(fā)出雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、高纏結(jié)水凝膠、相分離復(fù)合水凝膠等強(qiáng)韌水凝膠體系，兼具高韌性與抗疲勞特性。但這類材料交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)致密，溶脹倍率通常不足3倍。

更關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)水凝膠依靠熱力學(xué)混合作用驅(qū)動(dòng)水分子擴(kuò)散，均表現(xiàn)為一步式快速溶脹，溶脹過(guò)程難以調(diào)控。過(guò)快擴(kuò)張會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生巨大張力，給患者帶來(lái)劇烈痛感，這也成為制約水凝膠組織擴(kuò)張器臨床應(yīng)用的核心瓶頸。綜上，如何在實(shí)現(xiàn)大倍率、長(zhǎng)效緩慢溶脹的同時(shí)，保留良好力學(xué)性能，是高性能水凝膠組織擴(kuò)張器研發(fā)的核心難題。

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院整形外科醫(yī)院蔣海越教授團(tuán)隊(duì)與哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一類環(huán)境自適應(yīng)、高倍率溶脹、生物相容性優(yōu)異的水凝膠材料，可通過(guò)4D打印制備造型定制化組織擴(kuò)張器（圖1a），命名為自適應(yīng)溶脹水凝膠組織擴(kuò)張器（AEH-TEs）。

研究對(duì)聚電解質(zhì)水凝膠進(jìn)行精細(xì)化分子設(shè)計(jì)，使其具備環(huán)境響應(yīng)型平衡溶脹特性。該材料前驅(qū)體濃度高，內(nèi)部存在大量分子鏈纏結(jié)（物理交聯(lián)）與可控化學(xué)交聯(lián)，兼顧大倍率溶脹與優(yōu)良力學(xué)性能。

該擴(kuò)張器的溶脹行為由水分子與電解質(zhì)協(xié)同擴(kuò)散共同調(diào)控，呈現(xiàn)獨(dú)特的環(huán)境響應(yīng)特性，可實(shí)現(xiàn)大倍率、長(zhǎng)效緩慢溶脹。在體外環(huán)境中，材料電離度可隨介質(zhì)pH改變；植入體內(nèi)后，可吸收體液中的小分子電解質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電離水平。

結(jié)合溶脹理論與數(shù)值分析，本研究充分考慮交聯(lián)密度、電離度兩大關(guān)鍵參數(shù)，建立并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合成工藝-溶脹行為耦合模型。依托該模型，可對(duì)不同配方、不同電離度條件下聚電解質(zhì)水凝膠的平衡溶脹倍率與剛度進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院整形外科醫(yī)院黨委副書(shū)記、院長(zhǎng)：蔣海越，男，中共黨員，漢族。

中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)博士，主任醫(yī)師，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼。擔(dān)任中華醫(yī)學(xué)會(huì)第二十六屆理事會(huì)常務(wù)理事、北京醫(yī)學(xué)會(huì)第二十一屆理事會(huì)常務(wù)理事、中華醫(yī)學(xué)會(huì)整形外科學(xué)分會(huì)第十屆委員會(huì)候任主任委員、北京醫(yī)學(xué)會(huì)整形外科學(xué)分會(huì)第十屆委員會(huì)主任委員、北京醫(yī)療整形美容業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)等社會(huì)兼職。

https://www.nature.com/articles/s41551-026-01681-z