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內容概覽

現有技術缺點

1. 體外重建困難：血管網絡的復雜拓撲結構和富含血管組織的功能難以在體外重建。

2. 研究局限性：目前對陰莖勃起生理和病理的研究主要依賴于體內實際器官的研究，缺乏基于勃起機制的視覺模型。

3. 機械挑戰：陰莖內部血管網絡的復雜性及勃起過程中對合理變形的要求，使得構建體外模型具有挑戰性。

1. 3D打印技術應用：采用3D打印技術制備了基于水凝膠的海綿體模型，包含限制應變的白膜，可通過靜脈阻塞實現血液充盈。

2. 功能恢復：在兔和豬的海綿體缺損模型中，植入接種了內皮細胞的3D打印組織后，恢復了正常勃起功能，并在幾周內恢復了自發勃起功能，使動物能夠交配和繁殖。

3. 病理模型開發：構建了勃起功能障礙（ED）和佩羅尼氏病（PD）的體外病理模型，以及包含龜頭和尿道結構的海綿體模型。

1. 醫學研究：用于研究勃起功能障礙和佩羅尼氏病的病理機制。

2. 臨床治療：未來可能用于人類臨床治療，幫助恢復勃起功能和生育能力。

3. 器官移植：支持進一步開發用于移植的3D打印富含血管的功能器官。

該研究通過3D打印技術成功復制了正常的勃起動力學，并能夠針對勃起功能障礙和佩羅尼氏病進行調整。植入的3D打印組織（尤其是內皮細胞）恢復了動物的勃起功能和生育能力。未來的研究方向包括優化神經和尿道再生、改進支架以適應更大的損傷，并最終實現人類臨床應用。

文章名稱：3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs

期 刊：Nature Biomedical Engineering

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01367-y

通訊作者：華南理工大學施雪濤教授、王迎軍院士和美國哥倫比亞大學梁錦榮院士

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圖文簡介

圖1 功能性仿生海綿體模型的設計與構建，實現靜脈閉合。a，勃起期間海綿體的勃起機制示意圖。擴張的海綿竇壓迫后竇靜脈，而靜脈叢則阻礙陰莖的血液流出，該過程由仿生海綿體（BCC）模型加以模擬。b，BCC模型的結構設計。上層海綿竇中的后竇靜脈穿過下層兩個海綿竇之間的空間。c，水凝膠的流變學分析，顯示水凝膠的凝膠時間（G′?>?G″；G′為儲能模量；G″為損耗模量）小于10秒。藍色陰影區域表示405納米光關閉狀態下的0-30秒。d，BCC模型的DLP 3D打印過程。e，50%應變的循環拉伸加載-卸載曲線。f，水凝膠的最大應力與殘余應變與加載-卸載循環次數的關系。g，水凝膠在不同松弛時間后的恢復比。h，BCC模型部分的微CT重建。比例尺，2.5毫米。i，BCC模型的照片。在松弛狀態下，液體從海綿動脈流出，依次經過小動脈、海綿竇和后竇靜脈，最終從靜脈叢流出。比例尺，2.5毫米（放大右上角插圖），5毫米（其他三個比例尺）。j，BCC模型在灌注過程中初始狀態和勃起狀態的照片，顯示模型在勃起時的增大。類似陰莖頭的結構僅為指示性，并未灌注。比例尺，5毫米。k，數值模擬結果顯示在勃起狀態下，擴張的海綿竇對后竇靜脈的壓迫。l，灌注結果和數值計算顯示模型的整體非均勻變形（右側：松弛狀態下模型部分位移的熱圖）。

圖2 采用開發的仿生白膜控制勃起過程中變形的BCC模型。a，勃起期間白膜拉伸機制的示意圖。當白膜拉伸時，卷曲的膠原纖維會變直。b，示意圖顯示了被仿生白膜包裹的BCC模型。c，設計的仿生白膜的結構。側向和垂直纖維嵌入在彈性基質中（與BCC模型中的水凝膠相同）。藍色陰影區域突出顯示了在“初始”和“勃起”狀態下相同的纖維。d，帶有仿生白膜的BCC模型在灌注（90?ml?min?1）期間的勃起行為，顯示均勻擴展。比例尺，8?mm。相同的側向纖維部分在初始（i）和勃起（ii）狀態下用黑色虛線框標記。e，仿生白膜不同組件的單軸拉伸測試結果。f，BCC模型的直徑擴展比（D1/D0）圖，顯示模型在勃起期間在仿生白膜的限制下（綠色區域）和不受限制（黃色區域）的變形情況。g，帶有仿生白膜的BCC模型從松弛狀態到勃起狀態的長度（L1/L0）和直徑（D1/D0）擴展比，與正常組織的比率進行比較。綠色陰影區域表示正常范圍：L1/L0（1.44–1.59）和D1/D0（1.26–1.41）。數據以均值±標準差表示，n?=?3個獨立重復。h，帶有和不帶有仿生白膜的BCC模型在勃起期間的ICP/PTP值。數據以均值±標準差表示，n?=?3個獨立重復。統計分析采用非配對雙尾t檢驗。NS，未顯著。i，示意圖顯示陰莖的解剖結構。j，開發的全仿生陰莖結構示意圖，藍色對應尿道，紅色表示陰莖中的血流區域。k，全仿生陰莖模型的圖像。(i)，正視圖。(ii)，側視圖。(iii)，部分截面視圖。比例尺，3?mm。

圖3 病理性陰莖海綿體復合體（BCC）模型的構建。a，顯示動脈粥樣硬化誘發勃起功能障礙（ED）機制的示意圖。海綿體動脈和小動脈受限，阻礙了海綿竇的充分擴張。b，所設計的動脈性ED模型示意圖。該模型中海綿體動脈和小動脈的直徑是生理性BCC模型中相應血管直徑的一半。c，以低流速和高流速向ED模型灌注流體以模擬病理性勃起的圖像。比例尺為8毫米。d，與正常組織和生理性BCC模型相比，ED模型在高流速（50毫升/分鐘）和低流速（5.5毫升/分鐘）灌注過程中的長度比（L1/L0）與直徑比（D1/D0）。e，受佩羅尼氏病（PD）影響的陰莖示意圖。PD中的瘢痕或硬結通常出現在白膜上，尤其是陰莖背側。f，PD模型的示意圖，顯示在BCC模型背側的仿生白膜上制作的硬結。g，仿生白膜基質和硬結的彈性模量，n = 3個獨立重復樣本。數據以均值±標準差表示。采用非配對雙尾t檢驗進行統計分析。h，灌注后的PD模型模擬勃起的圖像。虛線圓圈表示硬結區域。勃起時，由于硬結和白膜之間的彈性差異，PD模型向背側彎曲。比例尺為8毫米。i，使用ImageJ軟件v.1.51j8測量的彎曲角度，n = 3個獨立重復樣本。數據以均值±標準差表示。j，通過生理測量儀測量ED模型和PD模型勃起過程中獲得的海綿體內壓/灌注壓（ICP/PTP）值，n = 3個獨立重復樣本。數據以均值±標準差表示。

圖4 兔海綿體缺損修復模型a，將模型植入兔海綿體缺損處的操作示意圖。模型的內竇壁覆蓋有mCherry陽性內皮細胞（紅色）。比例尺，100微米。b，植入12周后記錄海綿體內壓/平均動脈壓（ICP/MAP）值。數據以均值±標準差表示（n = 3只兔子），并使用GraphPad Prism軟件通過單因素方差分析（ANOVA）進行分析。內皮細胞+植入組與正常組相比，*P = 0.0352。c，4個不同組別的磁共振成像（MRI）圖像：缺損組、植入組、內皮細胞+植入組和正常海綿體組（正常）。瘢痕區域用白色圓圈標記，在植入后4周和12周進行觀察。比例尺，20毫米。 d，植入后4周和12周，兔體內模型上mCherry陽性內皮細胞的活體成像。色條表示輻射效率。比例尺，5毫米。 e，移植后4周和12周，兔海綿體組織中mCherry陽性內皮細胞（品紅色）、CD31（綠色）和4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）染色（藍色）的免疫熒光圖像，以及它們的共定位情況（白色箭頭所示）。比例尺，20微米。實驗獨立重復3次，結果相似。f，交配實驗步驟時間表。g，（i）內皮細胞+植入組與雌兔交配。（ii）新生兔。h，在交配評估試驗中，不同組別的雌兔產仔數量。

圖5 修復豬陰莖海綿體缺陷的模型。a，植入模型到豬陰莖海綿體缺陷中的程序示意圖。模型的內腔壁覆蓋有mCherry+內皮細胞（紅色）。白色虛線勾勒出模型通道。比例尺，100μm。b，通過對神經的電刺激誘導豬陰莖勃起。植入后兩周，植入的模型使得在勃起期間，具有陰莖海綿體缺陷的豬恢復了正常的陰莖形狀。橙色圓圈指示外科手術造成的缺陷位置。比例尺，10mm。c，植入后4周和8周對豬模型中mCherry+內皮細胞的活體成像。該實驗獨立重復進行了3次。顏色條表示輻射效率。比例尺，10mm。d，植入后8周陰莖海綿體切片中CD31（綠色）和mCherry+細胞（品紅色）的熒光成像。該實驗獨立重復進行了3次。比例尺，50μm。e，植入后8周陰莖海綿體切片的組織病理學檢查（H&E和馬松三色染色）。比例尺，300μm。f，交配實驗步驟的時間線。g (i)，植入組與母豬交配。(ii)，胚胎的超聲波圖像（白色圓圈指示胚胎位置）。比例尺，10mm。(iii)，新生豬仔。h，不同組別在交配評估測試中的懷孕母豬數量。

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文獻來源

Wang, Z., Liu, X., Ye, T. et al. 3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs. Nat. Biomed. Eng (2025). https://doi.org/10.1038/s41551-025-01367-y

來源：未來傳感技術