《Nature子刊》施雪涛教授/王迎军院士/梁锦荣院士团队：3D打印水凝胶仿生阴茎海绵体，修复勃起功能障碍：

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内容概览

现有技术缺点

1. 体外重建困难：血管网络的复杂拓扑结构和富含血管组织的功能难以在体外重建。

2. 研究局限性：目前对阴茎勃起生理和病理的研究主要依赖于体内实际器官的研究，缺乏基于勃起机制的视觉模型。

3. 机械挑战：阴茎内部血管网络的复杂性及勃起过程中对合理变形的要求，使得构建体外模型具有挑战性。

1. 3D打印技术应用：采用3D打印技术制备了基于水凝胶的海绵体模型，包含限制应变的白膜，可通过静脉阻塞实现血液充盈。

2. 功能恢复：在兔和猪的海绵体缺损模型中，植入接种了内皮细胞的3D打印组织后，恢复了正常勃起功能，并在几周内恢复了自发勃起功能，使动物能够交配和繁殖。

3. 病理模型开发：构建了勃起功能障碍（ED）和佩罗尼氏病（PD）的体外病理模型，以及包含龟头和尿道结构的海绵体模型。

1. 医学研究：用于研究勃起功能障碍和佩罗尼氏病的病理机制。

2. 临床治疗：未来可能用于人类临床治疗，帮助恢复勃起功能和生育能力。

3. 器官移植：支持进一步开发用于移植的3D打印富含血管的功能器官。

该研究通过3D打印技术成功复制了正常的勃起动力学，并能够针对勃起功能障碍和佩罗尼氏病进行调整。植入的3D打印组织（尤其是内皮细胞）恢复了动物的勃起功能和生育能力。未来的研究方向包括优化神经和尿道再生、改进支架以适应更大的损伤，并最终实现人类临床应用。

文章名称：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

通讯作者：华南理工大学施雪涛教授、王迎军院士和美国哥伦比亚大学梁锦荣院士

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图文简介

图1 功能性仿生海绵体模型的设计与构建，实现静脉闭合。a，勃起期间海绵体的勃起机制示意图。扩张的海绵窦压迫后窦静脉，而静脉丛则阻碍阴茎的血液流出，该过程由仿生海绵体（BCC）模型加以模拟。b，BCC模型的结构设计。上层海绵窦中的后窦静脉穿过下层两个海绵窦之间的空间。c，水凝胶的流变学分析，显示水凝胶的凝胶时间（G′ > G″；G′为储能模量；G″为损耗模量）小于10秒。蓝色阴影区域表示405纳米光关闭状态下的0-30秒。d，BCC模型的DLP 3D打印过程。e，50%应变的循环拉伸加载-卸载曲线。f，水凝胶的最大应力与残余应变与加载-卸载循环次数的关系。g，水凝胶在不同松弛时间后的恢复比。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。在松弛状态下，液体从海绵动脉流出，依次经过小动脉、海绵窦和后窦静脉，最终从静脉丛流出。比例尺，2.5毫米（放大右上角插图），5毫米（其他三个比例尺）。j，BCC模型在灌注过程中初始状态和勃起状态的照片，显示模型在勃起时的增大。类似阴茎头的结构仅为指示性，并未灌注。比例尺，5毫米。k，数值模拟结果显示在勃起状态下，扩张的海绵窦对后窦静脉的压迫。l，灌注结果和数值计算显示模型的整体非均匀变形（右侧：松弛状态下模型部分位移的热图）。

图2 采用开发的仿生白膜控制勃起过程中变形的BCC模型。a，勃起期间白膜拉伸机制的示意图。当白膜拉伸时，卷曲的胶原纤维会变直。b，示意图显示了被仿生白膜包裹的BCC模型。c，设计的仿生白膜的结构。侧向和垂直纤维嵌入在弹性基质中（与BCC模型中的水凝胶相同）。蓝色阴影区域突出显示了在“初始”和“勃起”状态下相同的纤维。d，带有仿生白膜的BCC模型在灌注（90 ml min−1）期间的勃起行为，显示均匀扩展。比例尺，8 mm。相同的侧向纤维部分在初始（i）和勃起（ii）状态下用黑色虚线框标记。e，仿生白膜不同组件的单轴拉伸测试结果。f，BCC模型的直径扩展比（D1/D0）图，显示模型在勃起期间在仿生白膜的限制下（绿色区域）和不受限制（黄色区域）的变形情况。g，带有仿生白膜的BCC模型从松弛状态到勃起状态的长度（L1/L0）和直径（D1/D0）扩展比，与正常组织的比率进行比较。绿色阴影区域表示正常范围：L1/L0（1.44–1.59）和D1/D0（1.26–1.41）。数据以均值±标准差表示，n = 3个独立重复。h，带有和不带有仿生白膜的BCC模型在勃起期间的ICP/PTP值。数据以均值±标准差表示，n = 3个独立重复。统计分析采用非配对双尾t检验。NS，未显著。i，示意图显示阴茎的解剖结构。j，开发的全仿生阴茎结构示意图，蓝色对应尿道，红色表示阴茎中的血流区域。k，全仿生阴茎模型的图像。(i)，正视图。(ii)，侧视图。(iii)，部分截面视图。比例尺，3 mm。

图3 病理性阴茎海绵体复合体（BCC）模型的构建。a，显示动脉粥样硬化诱发勃起功能障碍（ED）机制的示意图。海绵体动脉和小动脉受限，阻碍了海绵窦的充分扩张。b，所设计的动脉性ED模型示意图。该模型中海绵体动脉和小动脉的直径是生理性BCC模型中相应血管直径的一半。c，以低流速和高流速向ED模型灌注流体以模拟病理性勃起的图像。比例尺为8毫米。d，与正常组织和生理性BCC模型相比，ED模型在高流速（50毫升/分钟）和低流速（5.5毫升/分钟）灌注过程中的长度比（L1/L0）与直径比（D1/D0）。e，受佩罗尼氏病（PD）影响的阴茎示意图。PD中的瘢痕或硬结通常出现在白膜上，尤其是阴茎背侧。f，PD模型的示意图，显示在BCC模型背侧的仿生白膜上制作的硬结。g，仿生白膜基质和硬结的弹性模量，n = 3个独立重复样本。数据以均值±标准差表示。采用非配对双尾t检验进行统计分析。h，灌注后的PD模型模拟勃起的图像。虚线圆圈表示硬结区域。勃起时，由于硬结和白膜之间的弹性差异，PD模型向背侧弯曲。比例尺为8毫米。i，使用ImageJ软件v.1.51j8测量的弯曲角度，n = 3个独立重复样本。数据以均值±标准差表示。j，通过生理测量仪测量ED模型和PD模型勃起过程中获得的海绵体内压/灌注压（ICP/PTP）值，n = 3个独立重复样本。数据以均值±标准差表示。

图4 兔海绵体缺损修复模型a，将模型植入兔海绵体缺损处的操作示意图。模型的内窦壁覆盖有mCherry阳性内皮细胞（红色）。比例尺，100微米。b，植入12周后记录海绵体内压/平均动脉压（ICP/MAP）值。数据以均值±标准差表示（n = 3只兔子），并使用GraphPad Prism软件通过单因素方差分析（ANOVA）进行分析。内皮细胞+植入组与正常组相比，*P = 0.0352。c，4个不同组别的磁共振成像（MRI）图像：缺损组、植入组、内皮细胞+植入组和正常海绵体组（正常）。瘢痕区域用白色圆圈标记，在植入后4周和12周进行观察。比例尺，20毫米。 d，植入后4周和12周，兔体内模型上mCherry阳性内皮细胞的活体成像。色条表示辐射效率。比例尺，5毫米。 e，移植后4周和12周，兔海绵体组织中mCherry阳性内皮细胞（品红色）、CD31（绿色）和4',6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）染色（蓝色）的免疫荧光图像，以及它们的共定位情况（白色箭头所示）。比例尺，20微米。实验独立重复3次，结果相似。f，交配实验步骤时间表。g，（i）内皮细胞+植入组与雌兔交配。（ii）新生兔。h，在交配评估试验中，不同组别的雌兔产仔数量。

图5 修复猪阴茎海绵体缺陷的模型。a，植入模型到猪阴茎海绵体缺陷中的程序示意图。模型的内腔壁覆盖有mCherry+内皮细胞（红色）。白色虚线勾勒出模型通道。比例尺，100μm。b，通过对神经的电刺激诱导猪阴茎勃起。植入后两周，植入的模型使得在勃起期间，具有阴茎海绵体缺陷的猪恢复了正常的阴茎形状。橙色圆圈指示外科手术造成的缺陷位置。比例尺，10mm。c，植入后4周和8周对猪模型中mCherry+内皮细胞的活体成像。该实验独立重复进行了3次。颜色条表示辐射效率。比例尺，10mm。d，植入后8周阴茎海绵体切片中CD31（绿色）和mCherry+细胞（品红色）的荧光成像。该实验独立重复进行了3次。比例尺，50μm。e，植入后8周阴茎海绵体切片的组织病理学检查（H&E和马松三色染色）。比例尺，300μm。f，交配实验步骤的时间线。g (i)，植入组与母猪交配。(ii)，胚胎的超声波图像（白色圆圈指示胚胎位置）。比例尺，10mm。(iii)，新生猪仔。h，不同组别在交配评估测试中的怀孕母猪数量。

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文献来源

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

来源：未来传感技术