Naukowcy z Chin, Stanów Zjednoczonych i Japonii wykorzystali druk 3D hydrożelu do stworzenia biomimetycznych modeli penisa, które są zdolne do erekcji za pomocą mechanizmu podobnego do fizjologicznego. W eksperymentach z wykorzystaniem tej technologii udało się przywrócić zaburzoną erekcję u królików i świń. Sprawozdanie z prac opublikowano w czasopiśmie Nature Biomedical Engineering.
Głównymi elementami funkcjonalnymi prącia są dwa ciała jamiste i ciało gąbczaste otaczające cewkę moczową, które są otoczone białą błoną. Ciała jamiste składają się z wielu jam (zatoek) otaczających tętnicę jamistą, która przebiega przez środek ciała. Pomiędzy nimi znajduje się splot żylny z żyłami odpływowymi. Podczas erekcji, jamy jamiste wypełniają się krwią i uciskają splot żylny, uniemożliwiając odpływ krwi, co powoduje wzrost ciśnienia w prąciu i zwiększenie jego objętości. Gęsta otoczka białkowa zapewnia zachowanie kształtu i sztywność. Uszkodzenie ciał jamistych może prowadzić do zaburzeń erekcji, natomiast uszkodzenie białka może być przyczyną choroby Peyroniego, w przebiegu której w ciele narządu tworzą się płytki tkanki bliznowatej, deformujące narząd. Sieć naczyniowa prącia jest jedną z najbardziej złożonych w organizmie i bardzo trudno jest ją sztucznie odtworzyć, zachowując przy tym jej funkcjonalność.
Xuetao Shi z Południowochińskiego Uniwersytetu Technologicznego wraz ze współpracownikami postanowił wykorzystać w tym celu druk 3D wspomagany cyfrową obróbką światła (DLP). Polimeryzowalny tusz hydrożelowy zawiera kwas akrylowy, żelatynę, diakrylan glikolu polietylenowego, fenylo-2,4,6-trimetylobenzoilofosfinian litu i tartrazynę. Materiał z nich uzyskany odpowiada właściwościom mechanicznym ciał jamistych. Naukowcy za pomocą licznych symulacji obliczyli konfigurację jam zapewniającą zamknięcie żył i osiągnięcie erekcji, co zostało potwierdzone eksperymentami z perfuzją roztworu barwnika i masy erytrocytów w izotonicznym roztworze soli fizjologicznej.
Po przetestowaniu prostszych konfiguracji autorzy pracy wydrukowali pełnoprawny model penisa z dwoma ciałami jamistymi, ciałem gąbczastym i żołędziem, a następnie zamknęli go w sztucznej skorupce albuminowej, którą wcześniej opracowali i przetestowali. Wprowadzając do tej konstrukcji defekty podobne do zmian patologicznych, udało się im zbudować modele tętniczej dysfunkcji erekcji wywołanej miażdżycą i chorobą Peyroniego. Eksperymenty na kulturach ludzkich komórek naczyniowych oraz implantacja hydrożelu pod skórę szczurów potwierdziły biozgodność materiału.
Для опытов по восстановлению искусственно нанесенных дефектов пещеристых тел кроликов и свиней (минипигов) исследователи напечатали соответствующие этим дефектам фрагменты биомиметических пещеристых тел (BCC) и в течение двух недель культивировали часть из них in vitro с клетками кавернозного эндотелия этих животных. Клетки сформировали целостный слой на внутренних поверхностях полостей, сохранив свой фенотип и экспрессию биомаркера CD31. После этого части животных выполнили простое хирургическое ушивание небольших (порядка двух миллиметров у кроликов и нескольких сантиметров у минипигов) дефектов пещеристых тел, части пересадили в такие дефекты бесклеточные BCC и части — BCC с эндотелием.
Использование BCC привело к значимо лучшему восстановлению морфологии пениса и эректильной функции (с электростимуляцией и спонтанной), причем результаты у имплантатов с эндотелием оказались близки к показателям нормальных животных. Структурную адекватность BCC подтвердили с помощью МРТ, гистологические исследования показали интеграцию их клеточного слоя с тканью пещеристых тел, секвенирование РНК выявило хороший уровень роста сосудов и новой ткани и низкую активность воспаления. Спаривание животных с самками продемонстрировало значительное восстановление репродуктивной функции: после простого ушивания дефекта, сопровождавшегося деформацией полового члена, уровень беременностей составил 25 процентов, после использования бесклеточного имплантата — 75 процентов, а после имплантации BCC с клетками достиг 100 процентов.
Полученные результаты свидетельствуют в пользу дальнейшей разработки биомиметических протезов пещеристых тел. Как отмечают авторы работы, для восстановления более крупных повреждений пениса предстоит решить задачу регенерации нервов, уретры и более сложных сосудистых сетей, чем в проведенных экспериментах.
Другое направление в регенерации различных структур пениса (белочной оболочки, пещеристых тел, уретры) состоит в использовании тканевой инженерии, и в этом направлении уже были достигнуты некоторые успехи. Кроме того, уже неоднократно проводились успешные трансплантации полового члена, в том числе с мошонкой, от мертвого донора.