血管网络的复杂拓扑和富含血管的组织的复杂功能在体外重建是具有挑战性的。

2025年3月4日，华南理工大学施雪涛、王迎军及美国哥伦比亚大学梁锦荣共同通讯在Nature Biomedical Engineering在线发表题为“3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs”的研究论文，该研究表明3D打印的阴茎灌注模型，用于研究阴茎生理学和恢复兔子和猪的勃起功能。

该研究报告了以下进展:勃起功能障碍和佩罗尼氏病的体外病理模型；包括龟头和具有尿道结构的海绵体的阴茎模型；和阴茎海绵体的可植入模型，其复杂的血管网络通过静脉闭塞效应对勃起功能至关重要。具体来说，研究人员3D打印了一种基于水凝胶的阴茎海绵体，其中含有一种限制应变的白膜，可以通过静脉闭塞充血。在兔子和猪的阴茎海绵体缺陷中，植入接种有内皮细胞的3D打印组织恢复了对海绵体神经的电刺激的正常勃起功能以及植入后几周内的自发勃起功能，这使得动物能够交配和繁殖。该发现支持进一步开发用于移植的3D打印的富含血管的功能性器官。

血管网络是一个广泛的血管系统，遍布人体的所有部分及其重要器官，其复杂的网络结构使其能够执行广泛的任务，远远超出简单的氧气和营养物质的运输。在这些任务中，一个独特的功能是促进阴茎勃起，这依赖于阴茎内错综复杂的血管网络。阴茎是人体中具有最复杂血管网络结构的器官之一。阴茎主要由三部分组成:海绵体、海绵体和覆盖它们的白膜。具体地说，海绵体由许多海绵体空间组成，阴茎的海绵体动脉穿过海绵体的中心。在勃起过程中，海绵窦扩张并压缩海绵窦之间的静脉丛和窦后静脉，导致血流阻塞、海绵体肿胀和充血，这是实现和维持勃起所必需的。这种勃起机制通常被称为一种静脉闭塞。当勃起消退时，血流减慢，海绵窦的体积减小，减轻了对窦后静脉和静脉丛的压迫恢复静脉流出，使阴茎回到松弛状态。

勃起和勃起消退的过程类似于阀门的关闭和重新打开。此外，白膜是一种坚韧的白色纤维组织，包裹着整个海绵体，确保阴茎在勃起过程中保持其适当的形状和硬度。然而，阴茎海绵体和白膜的损伤会导致勃起功能障碍(ED)和佩罗尼氏病(PD)。ED的主要特征是难以勃起，而PD涉及阴茎弯曲和变形。马萨诸塞州男性老龄化研究(MMAS)表明，在40-70岁的男性中，轻度至中度勃起功能障碍的综合患病率为52%,随着年龄的增长而增加。据估计，帕金森病的患病率在1%到13%之间，它通常与勃起功能障碍并存。

实现静脉闭塞的功能性仿生阴茎海绵体模型的设计与构建（图源自Nature Biomedical Engineering ）

目前对阴茎勃起的生理学和病理学的研究仍然局限于对活体器官的研究。尽管最近关于阴茎勃起机制的研究表明海绵体结构在静脉闭塞中起着重要作用，但是勃起期间结构和流体的相互作用难以观察，并且迄今为止还没有建立基于阴茎勃起机制的视觉模型。阴茎内部血管网络的复杂性和勃起过程中合理变形的要求所引起的机械挑战使得很难构建阴茎勃起的体外模型。

该研究通过3D打印了一种基于水凝胶的仿生阴茎海绵体，其中包含一层可限制拉伸的白膜，可通过静脉阻塞使其充血。在兔子和猪海绵体缺损模型中，植入3D打印的海绵体（经过内皮细胞修饰）后，电刺激海绵体神经可恢复正常的勃起功能，且在植入几周后可恢复自发勃起功能，从而恢复交配和繁殖能力。这项研究展示了3D打印技术在阴茎生理学研究和功能修复领域的突破性进展，支持了进一步开发用于移植的血管化 3D 打印器官。

原文链接：

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