华南理工施雪涛教授团队：3D打印仿生水凝胶海绵体 → 恢复雄性猪勃起功能

来源：高分子材料

     阴茎损伤常导致海绵体结构的迅速破坏，最终引发勃起功能障碍（ED）。由于受损组织自身的再生能力极为有限，现有药物仅能短暂改善血流动力学，无法逆转器质性结构损伤；而传统手术修复又受限于海绵体复杂的血管网络，难以实现精准重建。因此，如何同时实现结构修复与功能再生，已成为治疗阴茎损伤后ED的关键临床难题。三维打印技术在构建具有复杂循环系统的动态器官模型方面展现出独特优势，但此前尚未有成功开发出模拟海绵窦等复杂结构的仿生海绵体。此外，生物材料植入体内后可能引发免疫排斥，尤其是T细胞介导的排斥反应和过度炎症，严重制约了修复效果的长期稳定性。间充质干细胞（MSCs）因具有低免疫原性、可分泌大量生物活性物质以及与生物支架良好兼容等特点，被视为ED治疗的潜在突破口，但其具体分子机制尚不明确。

     据此，华南理工大学施雪涛教授团队利用DLP 3D打印技术，以明胶、丙烯酸和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为原料构建了具有海绵窦样结构的水凝胶仿生海绵体模型，并可在体外灌注条件下模拟勃起过程中的窦状隙扩张变形。

     2026年7月28日,  相关工作以" Development and mechanistic investigation of 3D-printed biomimetic corpus cavernosum seeded with MSCs for restoring erectile function in pigs" 为题发表在 Biomaterials上。第一作者为王振兴博士`（现在南方医科大学任教职），迟阿妮研究员、施雪涛教授、王迎军院士为共同通讯作者。

     该模型进一步接种猪脐带间充质干细胞（MSCs），在猪海绵体缺损模型中评估其治疗潜力。植入后MSCs加速水凝胶降解以支持组织整合，并促进受损海绵窦的近乎完全结构再生。单细胞RNA测序揭示MSCs通过促进内皮细胞终末分化重建功能性血管网络、减少CD4+ T细胞分泌TGF-β以抑制内皮-间质转化（EndMT）、以及重编程巨噬细胞免疫微环境（激活M1巨噬细胞抗炎IL-10信号并下调M2巨噬细胞促排斥通路）等多重调控机制，共同抑制过度炎症并减轻移植物排斥反应。

      首先根据海绵体微血管网络与勃起功能的关系，设计并标准化了仿生海绵体模型的主要结构（图1b），利用明胶、丙烯酸、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、光引发剂LAP及酒石黄组成的打印墨水，通过405 nm光照引发自由基聚合，形成共价交联的互穿聚合物网络（图1c）。微CT和三维重建显示，模型整体及内部微血管网络具有高打印精度。随后，团队对模型进行体外灌注，以生理勃起血流速率（90 mL/min）注入含红细胞（血细胞比容40%）的PBS悬液，观察到高速液流使海绵窦扩张变形，窦间距显著缩小，模拟了勃起状态（图1d）。进一步使用红色Microfil血管造影剂灌注后，从前视图（图1e-f）、纵切面（图1g）和横切面（图1h）均可清晰看到模型包含海绵体动脉、海绵窦、窦后静脉及静脉丛，证实了3D打印仿生海绵体在结构上对天然组织的精确复制。

图1. 3D打印水凝胶仿生海绵体表征。 a) 阴茎解剖示意：海绵窦与微动脉相连，微动脉与海绵体动脉相连；b) 仿生海绵体模型结构设计（上层海绵窦的窦后静脉穿过下层两个海绵窦之间的间隙）；c) 光聚合3D打印原理及墨水组成（明胶、丙烯酸、PEGDA、LAP、柠檬黄）；d) 灌注前（初始态）和灌注后（勃起态）模型照片，勃起态模型尺寸增大；e-f) Red Microfil灌注后仿生阴茎模型正面观及局部放大图；g-h) 仿生海绵体纵切面和横切面示意图。

      在体内实验中，将携带mCherry荧光标记的猪脐带MSCs接种于仿生海绵体支架上，体外共培养7天，细胞在材料表面达到融合并组织成类窦样结构（图2b-c）。将MSCs+支架植入猪海绵体缺损后（图2a），8周后活体成像仍可检测到mCherry信号，而单纯植入组无信号，表明MSCs在体内长期存活（图2d）。组织切片染色显示，MSCs+植入组中水凝胶完全降解，海绵窦结构与正常组几乎无差异；而单纯植入组残留未降解水凝胶，窦结构发育不良；缺损组则海绵窦几乎不可辨认，且出现严重纤维化（图2f）。免疫荧光可见mCherry+细胞围绕海绵窦内皮细胞分布（图2e）。在功能恢复上，术后2周电刺激神经诱发的勃起实验中，MSCs+植入组勃起形态正常且可维持约60秒，而缺损组勃起角度小于180°。最终，MSCs+植入组雄猪与雌猪合笼后（图2g），4个月内共产下17头仔猪（图2h-i），接近正常组的19头，而缺损组和单纯植入组分别仅产下4头和9头仔猪，证实了修复后的阴茎可正常完成勃起与射精，生殖功能得以恢复

图2. MSCs功能化仿生海绵体修复猪海绵体损伤。 a) 手术植入流程示意；b-c) MSCsⁱᵐᶜʰᵉʳʳʸ在仿生海绵体上培养7天后的3D免疫荧光（CD44紫色、CD29绿色）及明场图像；d) 植入后活体成像显示MSCsⁱᵐᶜʰᵉʳʳʸ在植入部位持续存留；e) CD31（黄色）和mCherry⁺细胞（红色）免疫荧光显示MSCs定位于海绵窦内皮细胞周围；f) H&E和Masson染色显示MSCs+植入组无残留水凝胶、海绵窦结构恢复接近正常，缺损组结构几乎不可辨认且严重纤维化；g) 交配实验时间线；h) MSCs+植入组雌猪及新生仔猪照片；i) 各组怀孕雌猪数和仔猪总数统计（MSCs+植入组17头，正常组19头，缺损组4头，植入组9头）。

      为进一步探究分子机制，对术后8周的海绵体组织进行单细胞RNA测序，鉴定出内皮细胞（ECs）、成纤维细胞、周细胞、平滑肌细胞、雪旺细胞、巨噬细胞、T细胞和B细胞等8个主要细胞簇（图3a）。与单纯植入组相比，MSCs+植入组中血管生成相关通路和VEGF信号通路显著上调（图3b-c）。在内皮细胞的9个亚群中，亚群9（EC9）在MSCs+植入组中比例显著增加（图3d），伪时间轨迹分析显示EC9为终末分化内皮细胞（图3e），其糖酵解和氧化磷酸化相关基因表达上调（图3f-g），提示线粒体能量产生增强对内皮功能至关重要。同时，EC9中与髓系白细胞活化、免疫应答激活和中性粒细胞趋化相关的通路显著下调（图3h-i），KEGG分析显示白细胞跨内皮迁移和黏附分子通路也明显下调（图3j-k），表明MSCs移植显著减轻了内皮细胞的炎症反应。此外，成纤维细胞和平滑肌细胞中与炎症相关的通路同样被下调，而组织再生和血管再生通路在部分成纤维细胞亚群中上调，证实MSCs在促进血管再生的同时，全面抑制了阴茎组织的炎症微环境。

图3. 单细胞测序揭示MSCs促进血管新生并减轻炎症。 a) 所有海绵体细胞的UMAP聚类图（鉴定出8个主要细胞群）；b-c) 血管新生相关基因和VEGF信号通路在MSCs+植入组显著上调；d) EC9亚群在MSCs+植入组比例显著增加；e) 伪时间轨迹分析显示EC9为终末分化内皮细胞；f-g) 糖酵解和氧化磷酸化相关基因在EC9表达显著升高；h-i) “免疫应答激活”和“髓系白细胞激活”信号在MSCs+植入组显著下调；j-k) “黏附分子”和“白细胞跨内皮迁移”信号在MSCs+植入组显著下调。

    进一步聚焦免疫微环境调控。巨噬细胞是损伤重塑中最丰富的免疫细胞，团队将其分为促炎M1型和抗炎M2型（图4a）。在MSCs+植入组中，M1巨噬细胞的IL-10信号通路显著上调（图4f），而M2巨噬细胞中白细胞迁移、MHC IB类抗原加工呈递等通路被下调（图4g）。特别值得注意的是，M2巨噬细胞中与同种异体排斥相关的通路和多个相关基因表达显著降低（图4h-i），表明MSCs有效降低了宿主对移植物的排斥反应。

图4. MSCs减轻巨噬细胞介导的炎症和排斥反应。 a) 巨噬细胞亚群UMAP图（M1和M2）；b-c) 血管新生相关基因在总巨噬细胞中表达升高；d-e) M1和M2巨噬细胞差异表达基因火山图；f) IL-10信号通路在MSCs+植入组M1巨噬细胞中显著上调；g) M2巨噬细胞中多个炎症相关通路下调；h) “同种异体移植排斥”通路在M2巨噬细胞中显著下调；i) 同种异体移植排斥相关基因在MSCs+植入组M2巨噬细胞中均显著下调。

在T细胞方面，MSCs+植入组中CD4+ T细胞比例显著减少（图5b），其T细胞免疫应答激活、IL-6产生和趋化因子分泌通路均被明显下调（图5c）。细胞间通讯分析显示，CD4+ T细胞与各内皮亚群之间的TGF-β信号交互减弱（图5d），而TGF-β正是诱导EndMT的关键分子。GSEA证实MSCs+植入组中所有内皮细胞的EndMT通路均显著下调（图5e），且EndMT相关基因表达减少，而内皮标志物CD31和CD34表达升高（图5f）。免疫荧光染色进一步证实，MSCs+植入组中同时表达α-SMA（平滑肌标志物）和CD31（内皮标志物）的细胞数量明显减少（图5g-i），表明MSCs联合仿生海绵体能有效缓解EndMT，促进血管再生。