陰莖勃起機制依賴于海綿體內復雜血管網絡的靜脈閉塞效應，但體外模擬這一動態過程存在技術難題。

在全世界范圍內，勃起功能障礙（ED，勃起困難）和派若尼氏癥（PD，勃起形態異常）影響著數以億計的男性，而現有模型難以模擬病理機制，也難以實現功能修復。

2025 年 3 月 4 日，華南理工大學施雪濤教授、王迎軍院士及哥倫比亞大學梁錦榮院士等人在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上發表了題為：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。

血管網絡是一個遍布人體各部位及其重要器官的龐大血管系統，其網絡結構的復雜性使其能夠執行遠不止運輸氧氣和營養物質這樣簡單的任務。在這些功能中，其中一個獨特的作用是促進陰莖勃起，這取決于陰莖內部錯綜復雜的血管網絡。

陰莖是人體內血管網絡結構最為復雜的器官之一。陰莖主要由三部分組成：海綿體、尿道海綿體和覆蓋它們的白膜。具體來說，海綿體由眾多海綿狀腔隙構成，陰莖海綿體動脈貫穿海綿體的中心。在勃起過程中，海綿竇擴張并擠壓海綿體竇之間的靜脈叢和竇后靜脈，導致血流受阻，海綿體腫脹充血，這是實現和維持勃起所必需的。當勃起消退時，血流減緩，海綿竇的容量減少，從而減輕了對竇后靜脈和靜脈叢的壓迫，恢復了靜脈回流，使陰莖恢復到松弛狀態。勃起和勃起消退的過程類似于閥門的關閉和開啟。而白膜是一種堅韌的白色纖維組織，包裹著整個海綿體，確保勃起時保持正常的形狀和硬度。

然而，陰莖海綿體和白膜的損傷，可導致勃起功能障礙（ED）和派若尼氏癥（Peyronie’s disease，PD，一種陰莖勃起出現疼痛或彎曲畸形的疾病）。ED 主要表現為勃起困難，而 PD 則表現為陰莖彎曲和變形。

統計數據顯示，在 40-70 歲男性中，輕至中度 ED 的綜合患病率為 52%，且隨著年齡的增長而增加。PD 的患病率估計為 1%-13%，常與 ED 并存。

然而，勃起過程中海綿體結構與液體之間的相互作用難以觀察，因此，迄今尚未建立基于勃起機制的可視化模型。陰莖內部血管網絡的復雜性以及勃起過程中合理變形所帶來的機械挑戰，使得構建陰莖勃起的體外模型十分困難。

在這項研究中，研究團隊構建了陰莖海綿體的仿生生理模型和仿生病理模型，并基于陰莖勃起機制在體外重現了勃起過程。研究團隊借助與陰莖勃起動力學相兼容的水凝膠以及數字光處理（DLP） 3D 打印技術，重建了復雜的陰莖血管網絡結構，對典型生理和病理勃起狀態下不同海綿體結構和體液的相互作用進行了可視化呈現，并在此基礎上，對整個陰莖的構造進行了進一步的探究。

近年來，心臟和肺泡等具有復雜循環網絡的動態器官的 3D 體外功能模型的開發越來越受到重視。然而，這些動態器官的體外研究大多尚未在大型動物實驗中進行，以進一步推廣其應用。在這項研究中，研究團隊建立了兔和豬陰莖海綿體動態模型，該模型不僅在體外重現了陰莖勃起功能，而且在原位植入后恢復了正常的陰莖勃起形態和生殖功能。

具體來說，研究團隊開發了一種仿生海綿體（BCC）模型，該模型基于高強度、高延展性水凝膠，其拉伸強度為 1.2 MPa，斷裂應變>1400%，顯著優于傳統的水凝膠材料（例如 GelMA、PEGDA）。然后，研究團隊使用數字光處理（DLP）3D 打印，精確構建海綿體血管網絡，模擬靜脈閉塞效應。通過引入超高分子量聚乙烯纖維網絡，模擬天然白膜的應變限制功能，防止其局部過度膨脹。BCC 模型在勃起時長度增加 45%、直徑增加 30%，接近生理水平（長度增加 44%-59%，直徑增加 26%-41%）。

研究團隊利用仿生海綿體（BCC）模型成功構建了兩種體外病理模型——ED 模型（縮小動脈直徑 50%，成功模擬血流受限導致的勃起失敗）和PD 模型（在白膜表面添加高模量斑塊，再現勃起時的彎曲）。

接下來，研究團隊使用內皮細胞修飾了仿生海綿體（BCC）模型，從而構建了可植入的陰莖海綿體模型，并在海綿體缺損的兔模型和豬模型中進行了測試。在兔模型中，植入該模型 12 周后，顯著恢復了其陰莖功能，植入的 80% 的雄兔成功使雌兔受孕。在豬模型中，植入 2 周后，電刺激神經可誘導正常的勃起形態，8 周后實現了顯著的組織再生和血管網整合，植入的 100% 雄豬讓雌豬受孕，這也是首次在大型動物中實現功能性海綿體修復，為陰莖損傷治療提供了新方案。

豬陰莖海綿體缺損修復模型

總的來說，這項研究通過材料、結構和制造技術的創新，實現了陰莖生理機制的體外模擬及活體功能修復，強調了仿生陰莖海綿體在治療陰莖損傷方面的潛在臨床應用，為生物工程化器官移植邁出關鍵一步。其核心價值不僅在于解決男性健康問題，更推動了復雜血管化器官的 3D 打印技術發展和應用。

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撰文丨王聰

內容來源丨生物世界

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-025-01367-y

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