浙江大学赵骞教授、杨帆教授AM：4D打印水凝胶扩张器实现个性化软组织再生

在整形与重建医学中，软组织缺损的治疗一直面临严峻挑战。传统的皮瓣移植等手术方式易导致组织缺血、坏死和二次损伤，而现有的硅胶球囊或水凝胶扩张器虽能通过持续机械力促进组织再生，却因体积庞大、各向同性膨胀机制受限，不仅需要较大切口植入，还可能对周围组织产生过高压力，增加并发症风险。因此，开发一种更薄、更可控、可个性化设计的软组织扩张技术成为临床迫切需求。

近日，浙江大学赵骞教授、‌浙江省人民医院（附属医院）杨帆教授合作提出了一种基于4D打印技术的生物相容性水凝胶扩张器，实现了个性化与加速软组织再生的突破。该扩张器由非膨胀性弹性体框架与水膨胀性聚合物区域组成，通过数字光固化技术定制化制造。植入体内后，扩张器在吸收组织液后发生可控弯曲变形，形成预设的三维结构，时间作为形态变化的“第四维度”。其初始厚度仅1.0毫米，远薄于传统设备，便于微创植入。动物实验显示，植入5天后，大鼠头皮皮肤面积与重量分别增至原来的2倍与3倍，且未造成组织损伤。RNA测序进一步揭示，该扩张过程可能通过PI3K-AKT信号通路调控上皮-间质转化，从而促进再生。相关论文以“4D Printed Hydrogel Expanders for Personalized and Accelerated Soft Tissue Regeneration”为题，发表在

Advanced Materials

该扩张器的制造过程采用两步光固化法：首先构建非膨胀的聚氨酯丙烯酸酯框架，随后填充并固化亲水性单体与交联剂形成水凝胶区域。通过调控交联剂PEGDA的含量，研究人员优化了水凝胶的膨胀率与力学性能。当PEGDA含量为0.5 wt.% 时，扩张器在吸水后弯曲高度可达8.36毫米，实现约8.4倍的垂直膨胀，而平面面积基本不变，这一特性使其尤其适用于空间受限的解剖部位。

图1：4D打印水凝胶扩张器的制造与植入过程。 a) 制造流程及前体化学结构；b) 设备植入与扩张过程；c) 扩张过程中的分子变化。

在力学性能方面，该4D扩张器输出的机械应力仅为约0.5 N，远低于传统圆柱形扩张器（约3.2 N），有效避免了因压力过高导致的组织缺氧与坏死。此外，其膨胀速度可控，体内实验显示10小时内即可达到最大高度，并在后续维持稳定，为组织再生提供了持续而温和的机械刺激。

图2：扩张器的机械性能。 a) 不同PEGDA含量下水凝胶的膨胀比率随时间变化；b) 膨胀后扩张器的高度变化；c) 平面尺寸变化；d) 应力-应变曲线；e) 杨氏模量随PEGDA含量变化；f) 4D扩张器与传统圆柱形扩张器的压缩力对比；g) 4D扩张器与既往水凝胶扩张器的性能比较示意图。

在大鼠头皮模型中，植入后第3天即可观察到表皮明显增厚，角质细胞层数增加，PCNA阳性细胞显著增多，表明细胞增殖活跃。值得注意的是，真皮层厚度在扩张过程中保持稳定，而胶原体积分数则显著上升，提示新生皮肤组织在结构与功能上均得到良好重建。

图3：头皮模型中皮肤再生的体内评估。 a) 植入扩张器前后大鼠头皮外观图像；b) 不同时间点的体内超声图像；c) 体外与体内扩张器高度随时间变化；d) 扩张期间皮肤表面积变化图像；e) 皮肤表面积的定量分析。

图4：扩张期间头皮组织的组织学评估。 a) H&E与Masson染色图像；b) 表皮厚度变化；c) PCNA与DAPI免疫荧光染色；d) PCNA阳性细胞数量统计；e) 真皮厚度变化；f) 胶原体积分数变化。

为进一步探究其生物学机制，研究人员对扩张3天后的组织进行RNA测序，发现1685个基因上调、931个基因下调，其中上皮-间质转化相关基因表达显著改变。KEGG富集分析显示PI3K-AKT信号通路被激活，Western blot与免疫荧光结果进一步证实E-cadherin表达下降，Fibronectin与Vimentin表达上升，说明EMT过程在扩张早期即被诱导，这可能是加速皮肤再生的重要机制。

图5：4D扩张器植入3天后头皮组织的RNA测序分析。 a) 差异表达基因火山图；b) 差异基因热图；c) 显著富集的GO功能条目；d) 上皮-间质转化相关基因表达热图；e) KEGG通路富集分析及Pik3r5与AKT的mRNA表达。

图6：4D扩张器机械力诱导EMT并激活PI3K/AKT信号通路。 a) E-cadherin与Fibronectin免疫荧光染色；b) EMT关键蛋白Western blot及半定量分析；c) PI3K/AKT通路关键蛋白Western blot及磷酸化水平分析。

在个性化应用方面，通过调整光固化图案，研究人员成功制造出多种预设形状的4D扩张器，并在大鼠模型中实现了多样化的皮肤隆起形态。这表明该技术具备高度的定制化潜力，可针对不同患者的解剖特征进行精准设计，推动个性化再生医学的发展。

图7：个性化4D打印扩张器的体内展示。 a) 软组织扩张三阶段示意图；b) 不同形状扩张器初始与完全膨胀状态；c) 植入后即时与14天后头皮形态对比。

综上所述，本研究开发的4D打印水凝胶扩张器以其薄型设计、可控膨胀力与高度个性化能力，为软组织再生提供了一种安全、高效的新策略。尽管其在信号通路调控机制方面仍有待进一步量化研究，未来通过材料优化与三维数字建模的完善，该技术有望在临床中广泛应用，为更多软组织缺损患者带来福音。