Nature子刊：施雪涛/王迎军团队开发3D打印阴茎海绵体，恢复勃起、交配和生殖能力

来源：生物世界 2025-03-06 11:26

这项研究通过材料、结构和制造技术的创新，实现了阴茎生理机制的体外模拟及活体功能修复，强调了仿生阴茎海绵体在治疗阴茎损伤方面的潜在临床应用，为生物工程化器官移植迈出关键一步。

阴茎勃起机制依赖于海绵体内复杂网络的静脉闭塞效应，但体外模拟这一动态过程存在技术难题。

在全世界范围内，勃起（ED，勃起困难）和派若尼氏症（PD，勃起形态异常）影响着数以亿计的男性，而现有模型难以模拟病理机制，也难以实现功能修复。

2025 年3 月4 日，华南理工大学施雪涛教授、王迎军院士及哥伦比亚大学梁锦荣院士等人在Nature 子刊Nature Biomedical Engineering 上发表了题为：3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs的研究论文。

该研究通过3D 打印了一种基于水凝胶的仿生阴茎海绵体，其中包含一层可限制拉伸的白膜，可通过静脉阻塞使其充血。在兔子和猪海绵体缺损模型中，植入 3D 打印的海绵体（经过内皮细胞修饰）后，电刺激海绵体神经可恢复正常的勃起功能，且在植入几周后可恢复自发勃起功能，从而恢复交配和繁殖能力。这项研究展示了3D 打印技术在阴茎生理学研究和功能修复领域的突破性进展，支持了进一步开发用于移植的血管化 3D 打印器官。

血管网络是一个遍布人体各部位及其重要器官的庞大血管系统，其网络结构的复杂性使其能够执行远不止运输氧气和营养物质这样简单的任务。在这些功能中，其中一个独特的作用是促进阴茎勃起，这取决于阴茎内部错综复杂的血管网络。

阴茎是人体内血管网络结构最为复杂的器官之一。阴茎主要由三部分组成：海绵体、尿道海绵体和覆盖它们的白膜。具体来说，海绵体由众多海绵状腔隙构成，阴茎海绵体动脉贯穿海绵体的中心。在勃起过程中，海绵窦扩张并挤压海绵体窦之间的静脉丛和窦后静脉，导致血流受阻，海绵体肿胀充血，这是实现和维持勃起所必需的。当勃起消退时，血流减缓，海绵窦的容量减少，从而减轻了对窦后静脉和静脉丛的压迫，恢复了静脉回流，使阴茎恢复到松弛状态。勃起和勃起消退的过程类似于阀门的关闭和开启。而白膜是一种坚韧的白色纤维组织，包裹着整个海绵体，确保勃起时保持正常的形状和硬度。

然而，阴茎海绵体和白膜的损伤，可导致勃起功能障碍（ED）和派若尼氏症（Peyronie s disease，PD，一种阴茎勃起出现疼痛或弯曲的疾病）。ED 主要表现为勃起困难，而 PD 则表现为阴茎弯曲和变形。

数据显示，在 40-70 岁男性中，轻至中度 ED 的综合患病率为 52%，且随着年龄的增长而增加。PD 的患病率估计为 1%-13%，常与 ED 并存。

然而，勃起过程中海绵体结构与液体之间的相互作用难以观察，因此，迄今尚未建立基于勃起机制的可视化模型。阴茎内部血管网络的复杂性以及勃起过程中合理变形所带来的机械挑战，使得构建阴茎勃起的体外模型十分困难。

在这项研究中，研究团队构建了阴茎海绵体的仿生生理模型和仿生病理模型，并基于阴茎勃起机制在体外重现了勃起过程。研究团队借助与阴茎勃起动力学相兼容的水凝胶以及数字光处理（DLP）3D 打印技术，重建了复杂的阴茎血管网络结构，对典型生理和病理勃起状态下不同海绵体结构和体液的相互作用进行了可视化呈现，并在此基础上，对整个阴茎的构造进行了进一步的探究。

近年来，心脏和肺泡等具有复杂循环网络的动态器官的 3D 体外功能模型的开发越来越受到重视。然而，这些动态器官的体外研究大多尚未在大型动物实验中进行，以进一步推广其应用。在这项研究中，研究团队建立了兔和猪阴茎海绵体动态模型，该模型不仅在体外重现了阴茎勃起功能，而且在原位植入后恢复了正常的阴茎勃起形态和生殖功能。

具体来说，研究团队开发了一种仿生海绵体（BCC）模型，该模型基于高强度、高延展性水凝胶，其拉伸强度为 1.2 MPa，断裂应变 1400%，显著优于传统的水凝胶材料（例如 GelMA、PEGDA）。然后，研究团队使用数字光处理（DLP）3D 打印，精确构建海绵体血管网络，模拟静脉闭塞效应。通过引入超高分子量聚乙烯纤维网络，模拟天然白膜的应变限制功能，防止其局部过度膨胀。BCC 模型在勃起时长度增加 45%、直径增加 30%，接近生理水平（长度增加 44%-59%，直径增加 26%-41%）。

研究团队利用仿生海绵体（BCC）模型成功构建了两种体外病理模型 ED 模型（缩小动脉直径 50%，成功模拟血流受限导致的勃起失败）和PD 模型（在白膜表面添加高模量斑块，再现勃起时的弯曲）。

接下来，研究团队使用内皮细胞修饰了仿生海绵体（BCC）模型，从而构建了可植入的阴茎海绵体模型，并在海绵体缺损的兔模型和猪模型中进行了测试。在兔模型中，植入该模型 12 周后，显著恢复了其阴茎功能，植入的 80% 的雄兔成功使雌兔受孕。在猪模型中，植入 2 周后，电刺激神经可诱导正常的勃起形态，8 周后实现了显著的组织再生和血管网整合，植入的 100% 雄猪让雌猪受孕，这也是首次在大型动物中实现功能性海绵体修复，为阴茎损伤治疗提供了新方案。

猪阴茎海绵体缺损修复模型

总的来说，这项研究通过材料、结构和制造技术的创新，实现了阴茎生理机制的体外模拟及活体功能修复，强调了仿生阴茎海绵体在治疗阴茎损伤方面的潜在临床应用，为生物工程化器官移植迈出关键一步。其核心价值不仅在于解决男性健康问题，更推动了复杂血管化器官的 3D 打印技术发展和应用。

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