血管網絡的復雜拓撲和富含血管的組織的復雜功能在體外重建是具有挑戰性的。

2025年3月4日，華南理工大學施雪濤、王迎軍及美國哥倫比亞大學梁錦榮共同通訊在Nature Biomedical Engineering（IF=27.7）在線發表題為“3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs”的研究論文，該研究表明3D打印的陰莖灌注模型，用于研究陰莖生理學和恢復兔子和豬的勃起功能。

該研究報告了以下進展:勃起功能障礙和佩羅尼氏病的體外病理模型；包括龜頭和具有尿道結構的海綿體的陰莖模型；和陰莖海綿體的可植入模型，其復雜的血管網絡通過靜脈閉塞效應對勃起功能至關重要。具體來說，研究人員3D打印了一種基于水凝膠的陰莖海綿體，其中含有一種限制應變的白膜，可以通過靜脈閉塞充血。在兔子和豬的陰莖海綿體缺陷中，植入接種有內皮細胞的3D打印組織恢復了對海綿體神經的電刺激的正常勃起功能以及植入后幾周內的自發勃起功能，這使得動物能夠交配和繁殖。該發現支持進一步開發用于移植的3D打印的富含血管的功能性器官。

血管網絡是一個廣泛的血管系統，遍布人體的所有部分及其重要器官，其復雜的網絡結構使其能夠執行廣泛的任務，遠遠超出簡單的氧氣和營養物質的運輸。在這些任務中，一個獨特的功能是促進陰莖勃起，這依賴于陰莖內錯綜復雜的血管網絡。陰莖是人體中具有最復雜血管網絡結構的器官之一。陰莖主要由三部分組成:海綿體、海綿體和覆蓋它們的白膜。具體地說，海綿體由許多海綿體空間組成，陰莖的海綿體動脈穿過海綿體的中心。在勃起過程中，海綿竇擴張并壓縮海綿竇之間的靜脈叢和竇后靜脈，導致血流阻塞、海綿體腫脹和充血，這是實現和維持勃起所必需的。這種勃起機制通常被稱為一種靜脈閉塞。當勃起消退時，血流減慢，海綿竇的體積減小，減輕了對竇后靜脈和靜脈叢的壓迫恢復靜脈流出，使陰莖回到松弛狀態。

勃起和勃起消退的過程類似于閥門的關閉和重新打開。此外，白膜是一種堅韌的白色纖維組織，包裹著整個海綿體，確保陰莖在勃起過程中保持其適當的形狀和硬度。然而，陰莖海綿體和白膜的損傷會導致勃起功能障礙(ED)和佩羅尼氏病(PD)。ED的主要特征是難以勃起，而PD涉及陰莖彎曲和變形。馬薩諸塞州男性老齡化研究(MMAS)表明，在40-70歲的男性中，輕度至中度勃起功能障礙的綜合患病率為52%,隨著年齡的增長而增加。據估計，帕金森病的患病率在1%到13%之間，它通常與勃起功能障礙并存。

實現靜脈閉塞的功能性仿生陰莖海綿體模型的設計與構建（圖源自Nature Biomedical Engineering）

目前對陰莖勃起的生理學和病理學的研究仍然局限于對活體器官的研究。盡管最近關于陰莖勃起機制的研究表明海綿體結構在靜脈閉塞中起著重要作用，但是勃起期間結構和流體的相互作用難以觀察，并且迄今為止還沒有建立基于陰莖勃起機制的視覺模型。陰莖內部血管網絡的復雜性和勃起過程中合理變形的要求所引起的機械挑戰使得很難構建陰莖勃起的體外模型。

該研究通過3D打印了一種基于水凝膠的仿生陰莖海綿體，其中包含一層可限制拉伸的白膜，可通過靜脈阻塞使其充血。在兔子和豬海綿體缺損模型中，植入3D打印的海綿體（經過內皮細胞修飾）后，電刺激海綿體神經可恢復正常的勃起功能，且在植入幾周后可恢復自發勃起功能，從而恢復交配和繁殖能力。這項研究展示了3D打印技術在陰莖生理學研究和功能修復領域的突破性進展，支持了進一步開發用于移植的血管化 3D 打印器官。

https://www.nature.com/articles/s41551-025-01367-y#Sec32