血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜拓?fù)浜透缓艿慕M織的復(fù)雜功能在體外重建是具有挑戰(zhàn)性的。

2025年3月4日，華南理工大學(xué)施雪濤、王迎軍及美國(guó)哥倫比亞大學(xué)梁錦榮共同通訊在Nature Biomedical Engineering（IF=27.7）在線發(fā)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(xué)和恢復(fù)兔子和豬的勃起功能。

該研究報(bào)告了以下進(jìn)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(jié)構(gòu)的海綿體的陰莖模型；和陰莖海綿體的可植入模型，其復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)通過(guò)靜脈閉塞效應(yīng)對(duì)勃起功能至關(guān)重要。具體來(lái)說(shuō)，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(yīng)變的白膜，可以通過(guò)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(nèi)皮細(xì)胞的3D打印組織恢復(fù)了對(duì)海綿體神經(jīng)的電刺激的正常勃起功能以及植入后幾周內(nèi)的自發(fā)勃起功能，這使得動(dòng)物能夠交配和繁殖。該發(fā)現(xiàn)支持進(jìn)一步開發(fā)用于移植的3D打印的富含血管的功能性器官。

血管網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣泛的血管系統(tǒng)，遍布人體的所有部分及其重要器官，其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其能夠執(zhí)行廣泛的任務(wù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出簡(jiǎn)單的氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。在這些任務(wù)中，一個(gè)獨(dú)特的功能是促進(jìn)陰莖勃起，這依賴于陰莖內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)。陰莖是人體中具有最復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shuō)，海綿體由許多海綿體空間組成，陰莖的海綿體動(dòng)脈穿過(guò)海綿體的中心。在勃起過(guò)程中，海綿竇擴(kuò)張并壓縮海綿竇之間的靜脈叢和竇后靜脈，導(dǎo)致血流阻塞、海綿體腫脹和充血，這是實(shí)現(xiàn)和維持勃起所必需的。這種勃起機(jī)制通常被稱為一種靜脈閉塞。當(dāng)勃起消退時(shí)，血流減慢，海綿竇的體積減小，減輕了對(duì)竇后靜脈和靜脈叢的壓迫恢復(fù)靜脈流出，使陰莖回到松弛狀態(tài)。

勃起和勃起消退的過(guò)程類似于閥門的關(guān)閉和重新打開。此外，白膜是一種堅(jiān)韌的白色纖維組織，包裹著整個(gè)海綿體，確保陰莖在勃起過(guò)程中保持其適當(dāng)?shù)男螤詈陀捕取?strong>然而，陰莖海綿體和白膜的損傷會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)而增加。據(jù)估計(jì)，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(shí)現(xiàn)靜脈閉塞的功能性仿生陰莖海綿體模型的設(shè)計(jì)與構(gòu)建（圖源自Nature Biomedical Engineering）

目前對(duì)陰莖勃起的生理學(xué)和病理學(xué)的研究仍然局限于對(duì)活體器官的研究。盡管最近關(guān)于陰莖勃起機(jī)制的研究表明海綿體結(jié)構(gòu)在靜脈閉塞中起著重要作用，但是勃起期間結(jié)構(gòu)和流體的相互作用難以觀察，并且迄今為止還沒(méi)有建立基于陰莖勃起機(jī)制的視覺(jué)模型。陰莖內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和勃起過(guò)程中合理變形的要求所引起的機(jī)械挑戰(zhàn)使得很難構(gòu)建陰莖勃起的體外模型。

該研究通過(guò)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(guò)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(jīng)過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞修飾）后，電刺激海綿體神經(jīng)可恢復(fù)正常的勃起功能，且在植入幾周后可恢復(fù)自發(fā)勃起功能，從而恢復(fù)交配和繁殖能力。這項(xiàng)研究展示了3D打印技術(shù)在陰莖生理學(xué)研究和功能修復(fù)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，支持了進(jìn)一步開發(fā)用于移植的血管化 3D 打印器官。

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