華南理工大學(xué)研發(fā)出3D打印水凝膠支架修復(fù)“小弟弟”，成功恢復(fù)雄兔生殖能力！

南極熊導(dǎo)讀：華南理工大學(xué)和俄克拉荷馬大學(xué)的科學(xué)家，在世界著名的期刊雜志Nature Communications 發(fā)表了一篇重磅文章。關(guān)于3D打印水凝膠支架修復(fù)雄性的“小弟弟”，恢復(fù)勃起和射精功能。如果進一步完善技術(shù)，其研究成果未來有可能為有需求的男性重振雄風(fēng)。

來源： 高分子科學(xué)前沿

海綿狀組織是陰莖的重要組成部分。具有完整海綿竇結(jié)構(gòu)的健康海綿組織是維持陰莖正常勃起功能和泌尿功能的前提。作為末端器官，陰莖海綿體不能通過再生得到修復(fù)，而人工修復(fù)受傷海綿體往往會受到解刨學(xué)、美學(xué)、功能方面和倫理道德的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要探索一種有效的海綿體重建再生治療方法。

由于海綿竇的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和滿足其生理功能所必需的特殊機械性能，用于海綿體修復(fù)的生物材料必須具有良好的加工性能，適當(dāng)?shù)臋C械性能和生物相容性。另外，海綿體的正常組織功能（例如勃起和射精），取決于海綿竇內(nèi)微血管系統(tǒng)的正常循環(huán)和血液供應(yīng)。因此微血管系統(tǒng)的重建在海綿體功能的恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。

生物工程血管化海綿體實現(xiàn)海綿體修復(fù)
基于此，華南理工大學(xué)施雪濤教授和美國俄克拉荷馬大學(xué)毛傳斌教授構(gòu)建了一種表面有肝素涂層的3D打印水凝膠支架，并向其中植入了缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α）突變的肌源性干細胞（MDSCs），以制備生物工程血管化海綿體。將這種水凝膠支架植入海綿體缺損的兔模型中，顯示出良好的生物相容性，無免疫排斥反應(yīng)，支持血管組織向內(nèi)生長并促進新血管生成以修復(fù)缺陷。對修復(fù)后海綿體組織的形態(tài)、海綿體內(nèi)壓力、彈性和收縮性的評價證明3D打印水凝膠支架不僅成功修復(fù)了陰莖缺損并恢復(fù)了陰莖勃起和射精功能，恢復(fù)了受傷雄兔的生殖能力。

圖1 兔海綿體損傷修復(fù)示意圖

生物工程血管化海綿體的制備
鑒于調(diào)節(jié)血管生長因子的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄激活因子HIF-1α的表達對氧非常敏感，作者通過慢病毒轉(zhuǎn)染基因突變技術(shù)制備了HIF-1α過表達的MDSCs（mHIF-1α MDSCs）。這種mHIF-1α MDSCs不僅在常氧和低氧狀態(tài)下穩(wěn)定且高水平地表達HIF-1α，而且在HIF-1α的調(diào)節(jié)下明顯提高血管生成相關(guān)因子的表達，從而促進新血管的形成。此外，肝素是一種荷負(fù)電的多糖大分子，對血管生成因子具有良好的親和力，可以通過結(jié)合血管生成蛋白，如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），提高其穩(wěn)定性，從而加速新生血管的形成。因此，作者首先利用2%甲基丙烯酸酯化透明質(zhì)酸（HAMA）、15%甲基丙烯酰胺改性的明膠（GelMA）和0.5%光引發(fā)劑（12959）作為3D打印墨水，3D打印制備得到具有良好生物相容性和可降解性的3D打印水凝膠支架。然后利用聚賴氨酸（PLL）層層自組裝的方式，將肝素沉積到3D打印的水凝膠支架上。最后將mHIF-1α MDSCs接種到肝素涂層支架上，再將其植入損傷的海綿體中（圖1）。

圖2 細胞負(fù)載的3D水凝膠支架在裸鼠皮下植入的實驗評價

生物工程血管化海綿體促進血管再生
由于3D打印水凝膠支架具有多尺度的多孔結(jié)構(gòu)，類似于原始的陰莖海綿體組織。在植入后作者發(fā)現(xiàn)水凝膠支架材料與自體組織完全相容，無組織壞死（圖2a）。作者進一步通過研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝膠支架中出現(xiàn)了最多的新生血管，并且在材料降解的同時，新生組織開始在整個支架上生長，填滿支架的孔隙，從而保持甚至提高了支架的抗壓強度。此外，3D打印水凝膠支架表面的肝素可以特異性結(jié)合血管生成因子，延長這些生長因子的有效時間，促進血管再生，增加組織中的血管密度（圖2ef）。

圖3在修復(fù)的海綿體中檢測ICP、MAP和器官浴試驗

生物工程血管化海綿體實現(xiàn)生理功能的恢復(fù)
作者通過對3D打印水凝膠支架進行壓縮試驗和循環(huán)壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，水凝膠支架的楊氏模量（40.14 ± 9.03 kPa）接近天然海綿體（〜20 kPa）。并且在20次循環(huán)壓縮測試（應(yīng)力高達40 kPa）后仍保持其原始機械性能，未出現(xiàn)任何損壞（在男性勃起功能中結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高范圍為5.1-31.5 kPa）。證明陰莖結(jié)構(gòu)應(yīng)力的升高不會對植入支架造成損傷。此外，功能評價和組織學(xué)形態(tài)表明，HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架可以實現(xiàn)受傷陰莖海綿體的修復(fù)，其腔內(nèi)壓力（ICP）和平均動脈壓（MAP）均可類比于正常海綿體，并且相對最大收縮力（MCF）可達原體海綿體的77%（圖3）。此外，被HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架修復(fù)的雄性兔子通過交配在4個月內(nèi)成功繁育出下一代（圖4），而對照組的雄性兔子沒有或只繁育出一只兔子，進一步證實其生理功能的恢復(fù)（包括勃起功能和射精功能）。

圖4 HIF-1α變異MDSCs負(fù)載水凝膠支架修復(fù)的雄性兔子生理功能的恢復(fù)

總結(jié)與展望：
3D打印水凝膠支架成功修復(fù)海綿體缺損，恢復(fù)其勃起和射精功能，使模型兔恢復(fù)生殖能力。這種修復(fù)策略對于海綿體重建恢復(fù)男性生殖能力具有重要的價值。除了修復(fù)海綿體組織缺損外，這類3D打印支架還具有修復(fù)其他含血管組織的潛力（例如皮膚、鼻組織和心肌組織等）。