【摘要】 

组织扩张器是一种诱导组织扩张的装置，能较好地修复组织缺损。然而，传统的扩张器存在扩张器易外露、皮肤感染、局部组织血运差等缺点。水凝胶是一种通过吸取液体逐渐膨胀，维持一定容积不变的有机高分子聚合物，应用这一特点制作成的扩张器可以有效应用于组织扩张，其与传统扩张器对比，可明显减少并发症，在创面缺损修复中有更好的疗效。该综述主要归纳了自膨胀水凝胶扩张器在组织扩张中的最新研究进展，并在此基础上对其未来前景进行了展望。

【关键词】水凝胶；组织扩张器；创面修复

基金项目：浙江省基础公益研究计划项目（LBY20H180001）

Research progress of self-expanded hydrogel expander in tissue dilatation

Huang Tianxiang1,Pan Jiadong2,Wang Xin2

1Medical College of Ningbo University，Ningbo 315211,China;2Hand Surgery Department of Ningbo 6th Hospital, Ningbo 315040, China

Corresponding author: 

 Wang Xin,Email:

dr.wangxin@hotmail.com

【Summary】

Tissue expander is a device that induces tissue expansion and can be used to repair tissue defects. However, traditional dilators have the risk of exposure, skin infection, and poor blood flow in local tissue. Hydrogel is a kind of organic macromolecular polymer which can be expanded gradually by absorbing liquid and maintains a certain volume. The hydrogel expander can be applied to the tissue dilation. Compared with the traditional diilator, it can significantly reduce complications with better result. This review mainly summarizes the latest research progress of self\|expanded hydrogel dilators in tissue expansion, and looks forward to its future application.

【Key words】Hydrogels;Tissue expansion devices;Wound healing

Fund program:Basic Public Welfare Research Project of Zhejiang Province（LBY20H180001）

Disclosure of Conflicts of Interest: The authors have no financial interest to declare in relation to the content of this article.

      组织扩张器是一种诱导组织扩张的装置，能较好地修复组织缺损。然而，传统的扩张器存在扩张器易外露、皮肤感染、局部组织血运差等缺点。水凝胶是一种通过吸取液体逐渐膨胀，维持一定容积不变的有机高分子聚合物，应用这一特点制作的扩张器可以有效应用于组织扩张，其与传统扩张器对比，可明显减少并发症，在创面缺损修复中疗效较好［1］。本文主要归纳了自膨胀水凝胶扩张器在组织扩张中的最新研究进展，并在此基础上对其未来前景进行了展望。

一、自膨胀水凝胶

       水凝胶或称含水凝胶，是一种具有亲水性但不溶于水的聚合物。吸水溶胀是水凝胶的重要特性，在溶胀过程中，溶剂渗入高聚物内使其体积扩张；另一方面，交联聚合物网络分子链向三维空间伸展，分子网受到应力作用产生弹性收缩。当这2种相反的倾向互相对抗达到平衡时，即为溶胀平衡［2-3］，这是水凝胶能成为自膨胀组织扩张器的基础。

（一）自膨胀水凝胶的制备

       自膨胀水凝胶是一种具有网状三维结构的新型功能高分子材料，它的制备原料可以是单体［4］(水溶或油溶单体)、聚合物(天然或合成聚合物)或者是单体和聚合物的混合物。水凝胶的制备方法主要有交联聚合、接枝共聚、聚合物的转变等，其中交联聚合是目前制备高分子材料的主要方法，即在交联剂存在的情况下，一种或多种单体经自由基均聚或共聚得到高分子水凝胶［5］。接枝共聚法是指由α-烯烃类单体在天然高分子(如淀粉、纤维素等)及其衍生物共价连接下制取水凝胶的方法。聚合物的转变即聚乙烯醇［6］、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸等，通过适度交联制得高分子水凝胶材料，其制备的关键是交联度的控制。

（二）自膨胀水凝胶的类型

       不同材料聚合而成的水凝胶具有不同的理化性质。甲基丙烯酸甲酯和N-乙烯基吡咯烷酮的共聚体因生物相容性好、扩张能力佳，是目前应用最广泛的水凝胶扩张器类型。Ronert等［1］利用其制作的扩张器可扩张10倍，可应用于不同部位的皮肤缺损。高畅和齐艳华［7］在治疗无眼球和小眼球疾病时，局麻下通过小切口置入该类扩张器，大大缩短了手术和康复时间。此外，N-异丙基丙烯酰胺聚合物具有较好的黏弹性，可保持原始形状，用其制作的水凝胶扩张器适用于整形外科手术。Varga等［8］利用其制成的扩张器扩张大鼠皮肤，发现其对周围组织无明显危害。聚乙烯醇是一种新型的功能性高分子材料，其水溶液经过物理交联可制备成聚乙烯醇水凝胶。此类水凝胶经过干燥后体积小，置入便捷，且溶胀性能佳，结构稳定。陈士龙等［9］利用其制成水凝胶扩张器置入模拟体液，10 d的膨胀率可达5倍。王玉婵［10］应用聚乙烯醇水凝胶扩张器扩张家兔口腔黏骨膜，发现其作为扩张器是可行的。

二、水凝胶扩张器在组织扩张中的物理特性

（一）自膨胀水凝胶扩张器的扩张效率

      自膨胀水凝胶扩张器是一种用于扩张组织且不需外部填充物的新装置［1］，它的扩张效率主要表现在膨胀率及膨胀速率方面。水凝胶的膨胀率取决于交联密度、亲水性基团数量和水解环境［11］。当交联密度增大时，水凝胶网络孔径减小，容纳液体量下降；同时，分子链弹性下降，导致不易松弛。在上述两者共同作用下，膨胀率下降。当亲水集团增多时，因吸水能力增强致膨胀率增加［12］。当水解温度增加及时间延长时，离子型水凝胶相对非离子型的膨胀率更大。离子型水凝胶通过离子键、氢键和分子缠绕等物理交联形成，而非离子型水凝胶仅存在高分子水相互作用，溶胀度仅取决于聚合物的化学成分，与外界环境无关。目前，水凝胶扩张器在体内一般能扩张5～10倍。如德国Osmed公司生产的扩张器，主要成分是甲基丙烯酸甲酯和N-乙烯基吡咯烷酮，在人体内可扩张10倍［1］。韩国Osstem公司的扩张器，其主要成分亦是甲基丙烯酸甲酯和N-乙烯基吡咯烷酮，在动物体内可扩张5倍［13］。

       水凝胶溶胀速率决定了组织扩张的进程。不同材料的水凝胶扩张器扩张速率不同，同一材料水凝胶扩张器在不同制备方法下扩张速率也不同。水凝胶的溶胀速率一般都是初期较快，而后逐渐缓慢。初期较快膨胀所带来的切口疼痛、不愈合等问题一直阻碍着水凝胶扩张器的普及。因此，降低扩张速率是目前需要克服的主要难题。王玉婵［10］在扩张家兔口腔黏骨膜的实验中，发现减小水凝胶扩张器的表面积会降低其扩张速度。Garner等［14］在研究水凝胶扩张大鼠皮肤的扩张效率时，发现增加水凝胶中的疏水性聚酯含量，可限制其吸水膨胀的速度，避免过快溶胀导致切口裂开。2011年，Swan等［15］发现在水凝胶外围包绕一层带孔的硅树脂膜，能有效降低水凝胶扩张速率，且扩张速率与硅树脂的穿孔面积成正比，延迟了达到平衡溶胀体积的时间，但最终溶胀比未受影响。通过半透膜控制膨胀速率，进一步增加了水凝胶扩张器的功能性及实用性。

（二）自膨胀水凝胶扩张器对周围组织的压力分析

       膨胀压力是由于扩张的水凝胶遇到周围组织产生的物理约束。周围组织的正常扩张需要适当的膨胀压力，当膨胀压力低于25 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），组织扩张极为缓慢甚至不扩张；当高于235 mmHg，易压迫周围血管，减少血流量，阻碍血供，导致组织坏死或产生其他并发症［14］。此外，不同部位因组织成分不同，对抗膨胀压力的能力也明显不同。实验表明，在硬腭、牙槽黏膜、胸部和头皮4个部位中，头皮所能承受的最大压力明显高于其他部位，这归因于其胶原纤维密度大，弹性蛋白含量和组织厚度高［16］。同时，真皮毛囊提供了将表皮锚定到下层的额外机制，与无毛区域（如口腔黏膜）相比，有毛发的区域（如胸部和头皮）可能会增加承受的最大压力［16］。

三、水凝胶扩张器在组织扩张中的应用

（一）在口腔治疗中的应用

       在口腔医学中，常常因软组织量不足而引起一系列并发症。拔牙后常会引起牙槽嵴吸收，同时导致周围骨膜及软组织减少［17］。治疗牙槽嵴萎缩的骨移植依赖于无张力的黏膜覆盖［18］，而软组织的减少限制了重建手术的可能。因此，植骨前预先使用扩张器增加软组织量可提高植骨成功率。2009年，Abrahamsson等［19］利用水凝胶扩张器扩张下颌骨骨膜，发现植骨的成功率明显提高。Mertens等［20］在对8例上颌骨或下颌骨严重萎缩患者植骨前，将由甲基丙烯酸甲酯和N乙烯基吡咯烷酮组成的水凝胶扩张器置入于骨膜下，发现扩张骨膜后再进行植骨可减少植入物暴露、伤口不愈等并发症的发生。Barwinska等［21］在研究经扩张器扩张后犬的口腔黏膜血流灌注情况时，对实验犬进行拔牙及缩小牙槽骨，并在牙龈下置入水凝胶扩张器，发现在扩张过程中上皮组织灌注良好，组织学检查显示黏膜无巨噬细胞或炎性浸润。Garner等［22］运用水凝胶扩张器扩张拔牙后患者的口腔黏膜，发现即使在有既往手术史的部位进行软组织扩张，仍可再次扩张。Stuehmer等［23］发现水凝胶扩张器能有效应用于牙槽嵴的骨膜扩张，但扩张器不能直接置于骨面上，与骨的直接接触会使水凝胶从骨骼中吸收液体，从而导致骨萎缩和结缔组织形成。此外，在2007年，Kobus［24］在治疗2～3岁的腭裂患儿时，将水凝胶置入于硬腭黏膜下层，扩张软组织后再行腭裂修补术，取得了理想的预后效果。近期，Ali Salim等［25］应用水凝胶扩张器扩张大鼠颌面部软组织，证明了该扩张器不会促进炎症的发生。

（二）在眼科手术中的应用

       眼球是眼眶生理形状形成过程中重要的生长刺激器官［26］。先天性眼球体积过小或者眼球缺失，会继发眼眶、眼睑和结膜囊发育不良，不仅影响患者的眼部外观，还可引起功能性改变［27］。理想的治疗方法是在置入眼球假体的同时扩张眼睑、眼窝和眶骨，获得具有对称性眼周的美容效果。

2000年，Bacskulin等［28］在治疗4例3～11个月的无眼球患儿时，利用水凝胶扩张器扩张眼窝，发现扩张器可以扩张骨性眼眶的体积。Gundlach等［29］将由甲基丙烯酸甲酯和N-乙烯基吡咯烷酮合成的水凝胶置入眼窝，延长了眼睑裂隙，扩大了结膜囊和眼眶，获得较好外观。2006年，Schittkowski和 Guthoff［30］将水凝胶经套管针注射至小眼球后方，眼眶容积在2 d内明显增加，证明该方法是一种快速、安全、微创的眼眶重建术。Hou等［31］回顾性分析水凝胶扩张器扩张眼眶的17例患者时，发现眼睑水平长度由健侧的71.3%增加到85.4%，眼眶体积由健侧的74.7%扩大到83.5%。Morrow等［32］利用水凝胶扩张器治疗先天性无眼球时，比较其在 4个月婴儿和4岁儿童的临床疗效，发现年龄越小，扩张效果越好。

（三）在乳房再造中的应用

      乳房再造可满足乳房切除术后患者对乳房外形的美观需求。2004年，Ronert等［1］在局部麻醉下，将圆形自膨胀水凝胶扩张器置入于乳房下皱襞区域，成功进行乳房再造。2006年，李荟元［33］对乳房切除术后患者行二期乳房再造时，将二代含硅胶膜的水凝胶扩张器置入胸大肌深面，发现置入成功率为91%。此外，水凝胶扩张器还可用于乳房局部变形（如管状乳房）的治疗，扩张乳房的下极后使皮肤面积增加，以便后期应用植入物进行再造。

（四）在其他皮肤软组织缺损修复中的应用

       各部位的皮肤缺损或皮肤肿瘤、肢体瘢痕、色素痣等切除后的缺损，均可先通过水凝胶扩张器扩张皮肤后再行缺损修复。将自膨胀水凝胶扩张器置于缺损旁皮下的肌肉上方后，其可自主吸收周围的体液而逐渐膨胀，连带包裹它的外层皮肤也逐渐延伸，从而扩大皮肤面积［1］。将扩张器移出后，可用松弛的皮肤覆盖缺损，其美容效果明显优于厚皮片移植。2010年，Chummun等［34］报道了3例应用自膨胀水凝胶扩张器成功治疗瘢痕的案例，1例为4岁男孩颈前部烧伤后瘢痕挛缩，颈部活动受限；1例为6岁男孩右肘部术后形成肥厚性瘢痕，严重影响右肘活动及外观；1例为10岁男孩左侧头皮全层电烧伤，瘢痕处无毛发生长，术后均取得较好效果。Bergé等［35］在应用前臂桡侧皮瓣进行口腔重建前，利用水凝胶扩张器对供区进行皮肤扩张，术后将供区直接缝合，无并发症发生。Lohana等［36］在对4例烧伤后的青少年患者进行重建术前，利用水凝胶扩张器在烧伤部位周围进行皮肤扩张，认为水凝胶扩张器在儿童患者中的应用优于传统扩张器，尤其是对于针头恐惧的幼儿。

四、局限性

       自膨胀水凝胶组织扩张器作为一种新型材料，在上述领域有着良好的应用前景，但目前并没有作为一种常规的治疗手段而被人们所熟知，主要因其存在以下缺点。（1）潜在毒性：虽然聚丙烯酰胺无毒性，且水凝胶扩张器的应用是在其不分解的情况下进行软组织扩张。但有研究显示，聚丙烯酰胺水凝胶降解后具有毒性［37］。此外，置入丙烯酸水凝胶的部位后期易出现肉芽肿性炎症［38］。（2）感染：水凝胶结构与细胞外基质相似，易成为细菌的培养基，造成感染及脓肿。渗出的水凝胶可造成切口不愈合或延迟愈合，最终导致感染。（3）移位：水凝胶组织扩张器置入体内后，暴力挤压，周围扩张组织压力不均均可使其移位。（4）可控性差：不同组织缺损类型需要不同的扩张形状，严格控制水凝胶的扩张方向还需进一步研究。另外，水凝胶早期膨胀速率过快仍未得到有效解决，易导致切口裂开及阻碍局部皮肤血供。（5）无合适的压力测量器：传统的球囊扩张器可通过由弹簧表血压计改装成的测压器测量囊内压［39］，但这显然不适用于水凝胶扩张器。没有明确的客观压力范围作为参考，意味着临床应用的效果完全取决于医生及患者的主观判断，缺乏科学性和安全性，不利于广泛推广。

五、展望

       水凝胶扩张器作为一种连续、方便、有效的组织扩张器械，在组织缺损修复方面有望替代传统的硅胶注射扩张器。但因水凝胶自身的缺陷和所引起的一系列并发症，导致其不能在临床普遍应用。笔者认为，以下几点将是我们重点关注并需要攻克的方向：（1）提高安全性，使用对机体无任何毒害作用的水凝胶扩张器，如淀粉水凝胶［40］；（2）提高可控性，能准确掌控膨胀速率以及膨胀后的体积、形状，以便于适应不同条件的组织扩张，在膨胀过程增加诱导期，以利于缝合伤口的愈合，线性增加体积，并持续数天，以便进行所需的组织重建；（3）提高经济性，使水凝胶扩张器价格低廉，取材方便，对于大部分患者都可接受；（4）提高便捷性，通过门诊手术即可置入成功，可增加患者的依从性；（5）提高永久性，利用水凝胶良好的生物相容性和机械性，在其体积扩张后充当假体角色，形成永久置入物，避免二次手术。

      目前，临床上确认扩张效果的指标包括皮肤颜色、毛细血管再充盈、温度和患者自身感觉，然而，其存在一定主观性，难以量化。精确测量出有效扩张时的压力范围，能为水凝胶扩张器的应用提供客观可靠的数据，有助于其更广泛的推广。

利益声明：本文作者与论文刊登的内容无利益关系。