血管网络是遍布人体及其重要器官的广泛血管系统，其复杂网络结构使其能够执行远超氧气和营养简单运输的多种任务。
血管的独特功能之一是促进阴茎勃起
，这依赖于阴茎内部错综复杂的血管网络。阴茎是由三个部分组成的器官：海绵体、尿道海绵体以及覆盖它们的白膜。具体来说，海绵体由许多海绵状空间组成，阴茎海绵体动脉贯穿于海绵体的中心。在勃起过程中，海绵体间隙会扩张和压缩静脉丛和位于间隙之间的反 sinus 静脉，导致血流阻塞、海绵体膨胀和充血，这是实现和维持勃起所必需的（图 1a）。这种勃起机制通常被称为一种静脉闭塞类型。当勃起消退时，血流减慢，海绵体间隙的体积减小，减轻对反 sinus 静脉和静脉丛的压迫，恢复静脉流出，使阴茎恢复到松弛状态。勃起和消退的过程类似于阀门的关闭和重新打开。此外，白膜是一种坚韧的白色纤维组织，包裹整个海绵体，确保阴茎在勃起时保持适当的形状和硬度。然而，
海绵体和白膜的损伤可能导致勃起功能障碍（ED）和佩罗尼病（PD）
。ED主要表现为难以实现勃起，而 PD 涉及阴茎弯曲和变形。美国马萨诸塞州男性衰老研究（MMAS）表明，40-70 岁男性轻度至中度勃起功能障碍的综合患病率为 52%，且随着年龄的增长而增加。PD 的估计患病率在 1% 到 13% 之间，并且它通常与 ED 同时存在。
来自华南理工大学的施雪涛等团队
开发了勃起功能障碍和佩罗尼氏病的体外病理模型；包含龟头和海绵体以及尿道结构的阴茎模型；以及一个可植入的海绵体模型，其复杂的血管网络对勃起功能至关重要。具体来说，本文利用3D打印技术制作了一个基于水凝胶的海绵体，它带有一个限制应变的白膜，可以通过静脉闭塞充血。在兔子和猪的海绵体缺陷中，植入接种了内皮细胞的3D打印组织后，通过对海绵体神经的电刺激恢复了正常的勃起功能，并在植入后几周内恢复了自发性勃起功能，这使得这些动物能够交配和繁殖。本文的发现支持了进一步开发用于移植的3D打印富血管功能性器官。相关工作以题为
“3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs”
的文章发表在2025年03月04日的期刊
《Nature Biomedical Engineering》
。
【BCC模型的设计】
基于对血管网络与阴茎勃起功能之间关系的分析，本文识别、规整并组装了海绵体的主要结构成分，以创建一个功能性的BCC模型（图1a,b）。BCC模型能够像自然勃起一样通过静脉闭塞而充血。然而，由于基质材料的机械要求以及模型复杂的三维结构，在体外再现勃起在材料选择和制备技术方面面临诸多挑战。在本工作中，选择水凝胶墨因其良好的可打印性和短凝胶时间（图1c），并采用数字光处理3D打印方法（图1d），这归因于其在快速、高精度制造复杂结构方面具有显著优势。3D打印的水凝胶墨由丙烯酸、明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，6 kDa）、锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦（LAP）和酒石黄组成（图1d）。该水凝胶具有适当的抗拉强度和弹性模量（扩展数据图1a），符合阴茎海绵体勃起的机械要求。
水凝胶的机械性能对模型的性能至关重要。100次循环的50%应变循环拉伸测试结果表明，水凝胶具有良好的耐久性和机械稳定性（图1e,f），并能在短暂的放松时间后恢复到初始最大应力的90%以上并耗散能量（图1g），这与阴茎的勃起-疲软状态相匹配。为了表征BCC模型的整体打印精度，通过微计算机断层扫描（micro-CT）和三维重建方法对BCC模型及其内部腔道进行了研究（图1h）。为了可视化BCC模型的内部结构，将红色微丝灌注到打印模型的内部腔道中（图1i）。具体来说，设计的BCC模型的主要组成部分包括海绵体动脉、小动脉、海绵窦、背深静脉和静脉丛（图1b,i）。
图1 实现静脉闭塞的功能性仿生海绵体模型的设计与构建
【生物仿生白膜及阴茎模型的构建】
针对BCC模型灌注过程中出现的变形不一致性以及局部损伤问题，本文深入研究了人类阴茎的解剖结构，发现包裹自然海绵体的白膜组织能够控制阴茎的变形行为。白膜包括环状层和纵贯层，由交错排列的胶原纤维和弹性纤维组成（见图2a）。卷曲的胶原纤维具有高的杨氏模量和抗拉强度，在极端应变条件下对白膜产生限制应变的效果。总之，自然白膜的限制应变性能限制了海绵体大范围及局部的应变发展，并确保局部应变保持在安全水平（见图2b和2c）。
自然白膜的结构启发本研究团队将仿生白膜引入BCC模型（见图2b）。仿生白膜由高强度纤维（超高分子量聚乙烯，UHMWPE）组成，这些纤维模仿了自然组织中的胶原纤维网络，并与一种高延伸率的弹性水凝胶相结合，后者模仿了自然白膜中的基质组织。仿生白膜包裹在BCC模型的外表面，且侧面的纤维和相邻的垂直纤维以端对端的方式连接（见图2c）。本文复制了自然白膜中胶原纤维的卷曲形状，将UHMWPE纤维以波浪状配置在侧面和垂直方向，并将这些纤维嵌入水凝胶基质中（见图2c）。在构建仿生白膜时，选择了正弦曲线y = 1.5 × sin(10πx/27)来控制勃起时的变形。这个正弦曲线的长度是其周期长度的1.5倍，与自然海绵体在勃起时的变形范围相匹配，有效地模拟了自然的生理变形过程。对BCC模型中仿生白膜进行的单轴拉伸测试显示了50%的应变限制效果，在横向和纵向方向上通常表现出J形的应力-应变曲线（见图2e）。具体来说，在达到40%的应变之前，白膜表现出较低的模量并且容易变形；然而，在40%-50%应变之间，模量显著增加，随后持续保持高模量，使得白膜变得抗变形。
图2 带有用于在勃起时控制变形的仿生白膜的BCC模型
【ED和PD的模型】
男性海绵体勃起及病理性勃起的全过程机理解释需要一个针对生理结构诊断进行优化的可视化模型，但目前尚未开发出这样的模型。因此，本文对仿生（生理）海绵体模型进行了改进，并设计构建了一个动脉性勃起功能障碍（ED）模型。在体内，导致动脉性ED的最常见病理是动脉粥样硬化，其特征是动脉血管阻力增加（如阴茎和海绵体动脉），血管狭窄以及动脉血流量减少（图3a）。本文将BCC模型中海绵体动脉和小动脉的直径减半，同时保持其他结构尺寸不变，以建立一个ED模型（图3b）。然后，本文3D打印了这个动脉性ED模型并进行灌注。无论灌注速率是低还是高，流体都能顺畅地通过模型（图3c）。在高流速下，ED模型中灌注系统的总流速与BCC模型相同（平均流速，90 ml
