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华南理工最新Nature大子刊：水凝胶仿生阴茎海绵体，使受损阴茎恢复正常勃起！

材料学网 · 公众号 · · 2025-03-11 20:04

正文

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血管网络的复杂拓扑结构使其能够执行各种各样的任务，一个独特的功能是促进阴茎勃起。阴茎是人体中血管网络结构最复杂的器官之一。阴茎主要由三部分组成：阴茎海绵体、阴茎海绵体和覆盖阴茎海绵体的白膜。目前对阴茎勃起的生理和病理研究仍然局限于对体内实际器官的研究，富含血管的组织的复杂功能很难在体外重建。鉴于此，华南理工大学施雪涛教授、王迎军院士以及美国哥伦比亚大学梁锦荣院士报告了以下方面的开发： 勃起功能障碍和佩罗尼氏病的体外病理模型 ；包括龟头和具有尿道结构的海绵体模型；以及可植入的阴茎海绵体模型，其复杂的血管网络通过静脉闭塞效应对勃起功能至关重要。具体来说，他们 3D打印了一个基于水凝胶的阴茎海绵体 ，其中包含一个可通过静脉闭塞而充血的限制应变的白膜。在兔子和猪的阴茎海绵体缺损中，植入接种有内皮细胞的3D打印组织可在海绵体神经受到电刺激时恢复正常勃起功能，并在植入后几周内恢复自发勃起功能，这使得动物能够交配和繁殖。该研究结果支持进一步开发用于移植的3D打印富含血管的功能器官。相关研究成果以题为“3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs”发表在最新一期《nature biomedical engineering》上。

【实现静脉闭塞的功能性仿生阴茎海绵体模型的设计和构建】

静脉闭塞实现阴茎勃起的示意图如图1所示。它直观地描绘了动脉流入拉伸窦并夹断窦后静脉的过程，与仿生阴茎海绵体（BCC）模型的流体功能相似。作者选择了一种 定制的光交联水凝胶墨水 ，其成分包括：丙烯酸、明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸盐(LAP)作为光引发剂、酒石黄作为光吸收染料以提高分辨率，他们使用数字光处理(DLP)3D打印制作了一个高分辨率BCC模型。DLP打印的优势在于它可以选择性地一次固化整个墨水层，与逐层挤压相比，可以更快地生产复杂的血管结构。图1b重点介绍了 BCC模型中的关键结构组件：海绵体动脉：主要动脉流入通道。小动脉：将流量分配到正弦空间的较小分支。海绵窦：海绵状腔网络（类似于天然海绵体中的正弦空间）。窦后静脉：从窦中流出的引流静脉，当窦扩张时会被压缩。静脉丛：静脉的最终流出网络。这些结构的排列方式模仿了真实海绵体中血管单元的径向阵列。作者进行了流变学测试，以测量405nm光下的凝胶化动力学，验证了该材料可以在几秒钟内聚合。机械（拉伸）测试表明， 水凝胶能很好地支持周期性变形：即使经过多次加载/卸载循环，它仍能保持其最大应力容量的90%以上 。它表现出 较低的弹性模量（~25kPa），有利于显着扩张 。BCC模型中静脉闭塞的演示使用灌注系统，作者以生理流速（~90 mL/min）引入液体（PBS+红细胞）。海绵窦膨胀，压缩窦后静脉并有效阻断静脉流出。当流量减少（~10 mL/min）时，窦缩小，静脉流出恢复，该过程模仿从疲软到勃起和从勃起到疲软的转变。

图 1. 实现静脉闭塞的功能仿生阴茎海绵体模型的设计和构建。 【BCC模型】

白膜是一种主要由胶原蛋白和弹性纤维组成的纤维鞘。它限制勃起期间阴茎的径向和纵向扩张，从而实现可控的增大并防止过度膨胀造成伤害。在 初始BCC模型中，中间部分比边缘扩张得更明显，造成不均匀的应变并有局部材料损坏的风险 。这种行为并不反映自然的勃起动力学。为了解决这个问题，作者设计了一种仿生白膜，可以同样限制过度局部扩张。这种纤维增强水凝胶片：超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 纤维用作“胶原样”增强材料。纤维排列成正弦波图案，以允许有限的延伸，最高可达 ~50% 的应变。这些波浪形纤维嵌入用于 BCC 模型的相同水凝胶中。结果是一个双层结构（顶部/底部），一旦固化，就会包裹在BCC“圆柱形”主体的外表面上。单轴拉伸试验曲线显示 富含胶原蛋白的组织典型的“J形”应力-应变行为-应力在约40%的应变后急剧上升 （图2e）。量化沿模型长度的直径膨胀率(D1/D0)的图，表明当存在白膜时膨胀更均匀（图2f）。结果显示最终长度/直径延伸比与正常生理勃起相匹配（长度约1.45倍，直径约1.3倍）(图2g)。有无白膜时海绵体内压力与灌注总压(ICP/PTP)的比较。白膜的存在保留了勃起样ICP/PTP比（图2h）。作者 还构建了一个完整的“阴茎”模型，包括海绵体和龟头 （图2i、2j、2k）。它们显示了整合结构的正面/侧面/横截面图像。 虽然主要功能重点仍然是阴茎海绵体，但这个完整模型证明了未来更完整的阴茎重建的可行性 。

图 2. BCC 模型具有发达的仿生白膜，用于控制勃起过程中的变形 【病理性 BCC 模型的开发】

许多男性患有勃起功能障碍(ED)或佩罗尼氏病(PD)。作者利用他们的平台在体外复制这些病理。

动脉源性 ED 通常与动脉粥样硬化有关，动脉粥样硬化会使阴茎动脉变窄并减少动脉流入。在BCC模型中，作者将海绵体动脉和小动脉的直径减半。这种结构调整增加了流体阻力，从而降低了净流入量，即使整个系统流量很高。实验表明，在典型的勃起水平流量（~90mL/min）下，只有~50mL/min进入ED模型的窦腔。窦从未完全扩张，因此没有发生明显的静脉阻塞。这重现了动脉源性ED的核心缺陷：动脉流入不足以实现勃起。佩罗尼氏病涉及白膜上纤维化斑块的形成，导致勃起时出现疼痛性弯曲。作者在BCC模型白膜的背侧引入了具有高弹性模量(~503 kPa)的“硬斑块”（感光树脂）。在灌注过程中，较硬的背侧阻止了正常扩张，导致模型向背侧弯曲（观察到的角度约为165°，低于180°基线）。 这种曲率模仿了在PD中观察到的临床畸形。

图 3. 病理性 BCC 模型的发展 【修复阴茎海绵体缺损的动物模型】

除了体外系统外，作者还测试了3D打印的BCC是否可以在体内修复实际的阴茎海绵体缺损。他们使用兔子作为小动物模型来探索：水凝胶的生物相容性。勃起能力的功能性恢复。构造的长期整合。作者将部分BCC片段植入兔子阴茎缺损处；部分植入自体内皮细胞(EC)。 植入EC的植入物在术后12周达到接近正常的ICP/MAP比值。MRI显示组织恢复情况更好，生育测试证实这些兔子可以使雌性受孕 。这证明了 3D打印的BCC可以恢复兔子模型中的勃起功能和生育能力，尤其是在接种自体内皮细胞时 。

图 4. 修复兔阴茎海绵体缺损的模型

为了弥合小动物和潜在人类临床应用之间的差距，研究人员在巴马猪身上重复了体内实验， 巴马猪的阴茎结构更大，解剖学相关性更强 。结果显示： 2周后，植入BCC的猪恢复接近正常的勃起；仅有缺损的对照组显示有角度。8周后，组织学和成像证实了再生组织和血管整合，尤其是植入EC的猪。植入EC的组的妊娠率达到100%，表明勃起功能强劲。

图 5. 修复猪阴茎海绵体缺损的模型 【总结】

总的来说，3D打印的BCC模型复制了正常的勃起动力学，并可针对ED或PD进行调整。植入的BCC（尤其是内皮细胞）可恢复兔子和猪的勃起功能和生育能力。未来的步骤包括优化神经和尿道再生、改进支架以适应更大的损伤，并最终转化为人类临床应用。

来源： 本文来自高分子科学前沿