Китайські, американські та японські дослідники скористалися 3D-друком гідрогелем, щоб створити біоміметичні моделі статевого члена, які здатні до ерекції за механізмом, аналогічним фізіологічному. В експериментах за допомогою цієї технології вдалося відновити порушену ерекцію у кроликів та свиней. Звіт про роботу опубліковано в журналі Nature Biomedical Engineering.
Основними функціональними складовими статевого члена служать два печеристі тіла і губчасте тіло, що оточує сечівник, які укладені в білочну оболонку. Печеристі тіла містять множинні порожнини (синуси), що оточують кавернозну артерію, що проходить в центрі тіла. Між ними розташоване венозне сплетення з венами, що відводять. При ерекції кавернозні порожнини наповнюються кров'ю та здавлюють венозне сплетення, перешкоджаючи відтоку крові, через що тиск у пенісі підвищується, і він збільшується в обсязі. Щільна білочна оболонка забезпечує підтримку форми і жорсткість. Ушкодження печеристих тіл може призводити до еректильної дисфункції, а білкової оболонки - до хвороби Пейроні, при якій у ній утворюється бляшка з рубцевої тканини, що деформує орган. Судинна мережа пеніса - одна з найскладніших в організмі, і відтворити її штучно, зберігши функціональність, дуже складно.
Сюетао Ши (Xuetao Shi) з Південно-китайського технологічного університету з колегами вирішив використовувати для цих цілей 3D-друк, що спрямовується цифровою обробкою світла (DLP). До складу полімеризується гідрогелевих чорнил увійшли акрилова кислота, желатин, поліетиленглікольдіакрилат, феніл-2,4,6-триметилбензоїлфосфінат літію та тартразин. Матеріал, що виходить з них, відповідає механічним властивостям печеристих тіл. Шляхом численних симуляцій дослідники розрахували конфігурацію порожнин, що забезпечує венозну оклюзію та досягнення ерекції, що підтвердили експериментами з перфузією розчину барвника та еритроцитарної маси в ізотонічному сольовому розчині.
Після випробувань найпростіших конфігурацій автори роботи надрукували повноцінну модель статевого члена з двома печеристими тілами, губчастим тілом і головкою, і уклали її в розроблену та випробувану ними раніше штучну білочну оболонку. Вносячи в цей конструкт дефекти, аналогічні патологічним змінам, вони успішно побудували моделі артеріальної еректильної дисфункції, спричиненої атеросклерозом, та хвороби Пейроні. Експерименти з культурами людських судинних клітин та імплантацією гідрогелю під шкіру щурам підтвердили біосумісність матеріалу.
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.