近日，中国医学科学院整形外科医院蒋海越团队联合哈佛医学院Y. Shrike Zhang团队，在Nature系列子刊 Nature Biomedical Engineering 在线发表题为“4D-printed adaptive hydrogel tissue expanders for ear and breast reconstruction”（用于耳与乳房重建的4D打印自适应水凝胶组织扩张器）的研究论文。该研究基于聚电解质聚丙烯酸光固化水凝胶体系，通过对配方与工艺的系统优化，并结合数字光处理（DLP）4D打印技术，成功研发出一种可环境自适应膨胀、机械性能优异且几何结构高度个性化的新型组织扩张器（AEH-TEs），为下一代体表器官修复重建器械的设计、制造与临床转化提供了完整的范式参考。
软组织扩张技术是整形外科最重要的技术之一，通过逐步扩张获得额外的覆盖组织，用于修复因先天畸形、肿瘤切除、烧伤或大面积皮肤缺损所致的体表器官损失。硅胶扩张器作为划时代的发明已使全球无数患者受益，但仍长期受困于反复经皮注射所致的疼痛、血肿、扩张器移位、注射壶翻转、连接管路扭结、扩张形态控制不精准、皮瓣过度扩张需修整手术等并发症与不足。早期自膨胀水凝胶（Self-inflating Hydrogel）虽被尝试作为替代方案，但因膨胀过快、机械强度不足、几何形态单一而难以满足临床需求，且扩张器的几何形状直接决定扩张皮瓣的形态——这一长期存在的难题尚未得到有效解决。研究团队通过精确调控水凝胶的电离度（α）与交联密度，并基于Flory–Rehner理论建立合成–膨胀耦合模型，在兔模型中实现了10–30倍体积膨胀，同时保持优异机械性能以抵抗皮肤张力；更重要的是，通过将患者3D扫描数据转化为个性化模板进行DLP打印，AEH-TEs可制成与目标组织或器官解剖形态高度吻合的复杂三维结构，从根本上突破了传统扩张器形状简单、扩张可控性差的瓶颈。
研究指出，AEH-TEs并非简单的“自动膨胀水凝胶”，而是实现了形态、力学、膨胀进程“三位一体”可编程控制的新型临床器械。在兔耳再造模拟手术中，AEH-e-TEs全程无需注射操作，扩张形态与目标耳廓高度吻合，植入耳廓假体后无需修整即可获得稳定、自然的外耳形态；与硅胶扩张器对比，AEH-e-TEs有效避免了装置移位、注射壶翻转、皮瓣过度扩张等并发症，无需三期修整手术，使手术总时间显著缩短、切口长度与废弃组织量明显减少。尤为引人关注的是，在构建的血肿模型中，AEH-e-TEs自主吸收积聚血液并继续正常膨胀，为预防血肿——组织扩张术后最严重并发症之一——提供了全新思路。在乳房重建模拟中，AEH-b-TEs可在兔体内膨胀至成人乳房平均尺寸（基底直径约10 cm），形态自然、未见组织坏死，扩张皮下层可见清晰的新生血管网络。
本研究揭示了4D打印自适应扩张器在多类体表器官重建中的应用潜力，下一阶段将就其在长期体内表现、性能优化、规模化制造与监管路径等方面进行深入探索。蒋海越教授团队将围绕装置的升级迭代及性能优化、长期体内安全性与有效性评估、监管路径推进等开展系统工作，并基于同一4D打印平台拓展面向鼻、眼睑、大面积皮肤缺损、瘢痕与瘢痕疙瘩切除后覆盖乃至美容外科等不同临床场景的智能植入器械，致力于推动4D打印技术从材料与工程科学的概念演示真正走向临床转化，惠及更多需要体表器官重建与美容修复的患者。
中国医学科学院整形外科医院蒋海越与哈佛医学院Y. Shrike Zhang为论文共同通讯作者。中国医学科学院整形外科医院主治医师/哈佛医学院博士后王迪、河北工业大学先进激光制造中心副教授吕家琪、威斯康星大学麦迪逊分校机械工程系助理教授/哈佛医学院博士后匡晓为论文共同第一作者。
通讯作者 蒋海越
中国医学科学院整形外科医院主任医师，国家杰出医师，“白求恩奖章”获得者，“十四五”国家重点研发计划项目首席专家，享受国务院政府特殊津贴。现任中国医学科学院整形外科医院院长、党委副书记，北京协和医学院临床医学教授、博士研究生导师，兼任中华医学会理事会常务理事、中华医学会整形外科学分会候任主任委员、北京医学会理事会常务理事、北京医学会整形外科学分会主任委员、《中华整形外科杂志》总编辑等。从事整形外科临床、科研、教学工作三十余年，长期致力于外耳整形再造的临床治疗与基础研究，推动我国在复杂外耳畸形、疑难耳廓再造及功能重建等领域处于国际领先地位。曾荣获宋庆龄儿科医学奖、北京市科技进步奖、国家卫生健康突出贡献中青年专家等奖励。
第一作者 王 迪
中国医学科学院整形外科医院整形外科主治医师、北京协和医学院外科学临床型硕士/博士（导师：蒋海越教授、陈文教授）、哈佛医学院博士后&联合培养博士（合作导师：Y. Shrike Zhang教授）、国际美容整形外科学会会员、医疗卫生技术经理人。主要从事体表组织器官修复重建和医疗美容方向临床医疗、材料与技术研发工作。以独立第一/共同第一作者身份在 Nature Biomedical Engineering, Science Advances, Plastic and Reconstructive Surgery, Aggregate 等期刊发表研究性学术论文20余篇，主持国自然科学基金等科研项目。
供稿：整形外科医院
