3D生物打印技术是目前用于组织工程学领域的一项新型技术。针对传统组织工程学中存在的技术问题，3D生物打印技术可以很好地予以弥补，如可在体外精确地构建生物组织的三维结构，均匀的细胞密度，以及打印后可对种子细胞进行3D培养及体外诱导等。
与普通的3d打印机一样，生物打印机也是一层层堆叠，但它用的材料是含有细胞的胶体及可生物降解的塑料一样的材料。然后打印出的整个结构会被加上一层临时的聚合物外壳，确保移植中结构的稳定。打印过程也经过精心调整，保证细胞能活到手术时刻。一旦移植完成，塑料材料会逐渐降解。同时，细胞会分泌出一种支持性的基质，维护植入物的形状。最终，细胞会自行重组，不再需要支持性材料。
海绵组织是阴茎的重要组成部分，健康的海绵组织对正常的勃起、射精等功能至关重要。但由于自身的复杂性、特殊力学性能和无法自行修复等特点，海绵体受损的修复目前仍是生殖领域的一大难题。
日前，来自华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授带领的团队，开发出一种表面有肝素涂层的 3D 打印水凝胶支架，具备了与天然海绵体相当的力学性能，通过手术注入雄兔体内，不仅成功修复了损伤的海绵体，并在 4 个月内成功恢复了阴茎勃起和射精功能。
更惊人的是，原本海绵体受损的雄兔在植入支架后，顺利完成交配，并让雌兔生下小兔子。该研究发表在6月1日的Nature Communications杂志上。
“重振雄风”的兔子
我们所说的勃起在原理上是阴茎海绵体空腔充血，引起阴茎硬度变化，体积胀大。
男性在海绵体受损后，就会影响甚至丧失性能力，同时海绵组织自身不具备再生修复的能力，因而一直以来，修复勃起组织除了移植异体阴茎外，一直缺少可行的办法，而阴茎移植也面临诸多技术和伦理问题，到目前为止，成功案例相当少。
对这个关乎生活情趣以及传宗接代的大问题，也有一些研究试图解决，不过都处于相当早期的阶段。施雪涛告诉媒体，曾经有学者在兔子实验中，将脱细胞基质植入兔子体内，即对海绵体进行脱细胞处理，将免疫原性的细胞和蛋白质去除，留下细胞外基质和胶原蛋白等，这样保证了不会引起排异反应。
移植之后，兔子阴茎的外形被较好地修复，但问题就在于受损的血管、神经等并不能被一并重建，这就导致手术完成后的阴茎，中看不中用。
在最新发表的研究当中，施雪涛及团队认为，海绵窦本身结构较为规整，其中还有很多贯穿孔，人工制备这种替代材料，3D 打印是一个很好的办法。
于是，团队通过 3D 打印水凝胶制成了具有多种尺度的多孔结构，与原始的阴茎海绵体组织非常类似。植入之后，水凝胶支架材料与自体组织完全相容，无组织坏死。
这还只是第一步，要让植入的组织变得能用、好用，就需要在上面重新生成血管。实现这一步的关键在于打印材料本身。
在 3D 打印水凝胶基础上，团队向其中植入了缺氧诱导因子突变的肌源性干细胞（MDSCs），使它在不论是在缺氧，还是在常氧的情况下，都能分泌各种各样的血管生长因子。
此外，在 3D 打印水凝胶表面添加了肝素，可以帮助生长因子的驻留，进一步延长血管生长因子的作用时间，不断促进血管在支架上生长。
如此一番操作，3D 打印而成的水凝胶支架不仅与自体组织完全相容，无组织坏死，更实现了血管在支架上的再生，使其具备原本的功能性。根据论文介绍，对 3D 打印水凝胶支架进行压缩测试发现，材料在抵抗形变的能力上与天然海绵体相当，在 20 次循环压缩测试之后，依然保持了原来的机械性能。
这意味着，3D 打印水凝胶支架在 “硬起来” 之后，还能保持原本的性能。通过实验，团队还发现支架内的血管也如预期一般长势喜人。
最后就到了功能性测试：检验 “真实力” 的环节。广州医科大学第三附属医院生殖科副主任安庚亲手操刀，对 100 多只兔子进行手术，先是截断了部分兔子的海绵体，在受损部位植入了 3D 打印水凝胶支架。
在体外给兔子施加电刺激，诱导其勃起、射精行为，发现兔子的勃起和射精功能已经达到了正常兔子的 70% 以上；而对照组的兔子多数仅能达到 30%-50%。
据介绍，兔子的勃起和射精功能若在 50% 以下，其阴茎硬度基本就不能完成交配的过程，勃起功能达到 70% 就完全能够实现交配功能。
研究人员并未止步于此，他们进行了更接近应用的 “实弹” 测试。结果显示，4 对实验组的兔子在植入水凝胶支架之后，都成功交配，并生下小兔子；而作为对照的 4 组共 16 只兔子在截断了部分海绵体后，仅有一只成功完成交配。
这一结果表明，水凝胶支架成功修复了兔子受损的海绵体 ，证实了海绵体功能性的恢复。
用成熟技术解决眼前问题
施雪涛认为，此次研究成果在生殖领域是一个很大的突破，此前从未有学者进行过类似的实验，该研究实现了多种技术在临床融合方面的突破。
首先，该实验所用支架等材料没有太大的创新；另一方面，3D 打印技术本身也是非常成熟的工艺。团队所做的，是把几种现有的技术、材料和临床手段相结合，并非一个前端创新，尽快实现研究成果向临床应用的转化。
施雪涛表示，对于一些生殖科的工作者，以及在战争或车祸等意外中身体受损的人，这项研究能给他们带来一些希望。
生物材料挺进生殖“无人区”
到目前为止，生物材料在生殖领域的应用几乎是个“无人区”。
施雪涛介绍，生物组织工程在其他领域已经有了广泛的研究和应用，比如神经修复、角膜修复、骨组织工程以及心肌补片等。但由于海绵体自身的复杂性，这方面的组织工程目前依然缺乏研究。
相比之下，海绵体是一个终端分化的组织，自修复能力很差；同时，尽管海绵体本身的结构简单，但其周围的白膜、皮肤和海绵体之间的神经都非常复杂，在阴茎受损的情况下，通常是海绵体、白膜、神经一起受损，修复的难度就更大。
施雪涛表示，生殖领域中，此前仅有美国学者尝试过用组织工程进行卵巢重建，但在男性方面，几乎没有研究者将生物材料应用其中。
经过这一系列研究，施雪涛已经把生物材料在生殖领域的应用作为自己的重要工作方向。他表示，在此成果基础上，团队将要在更大型的灵长类动物上开展进一步试验，另一方面，目前的工作虽然解决了血管网络的重构，但还未能修复受损的神经，这对恢复组织的功能性同样有着重要意义，团队也在尝试使用其他的材料对受损的神经进行修复。
施雪涛认为，尤其是目前国内已经开放了二胎的情况下，生物材料在生殖领域的应用将会有更重要的意义。
3D打印：再生组织器官，解决移植难题
生物3D打印技术制成的再生型组织工程产品的应用前景非常广阔，因老龄化、事故、外伤、慢性疾病等原因，我国每年有着大量的组织修复和器官移植需求。相关数据显示，我国每年骨缺损和骨损伤患者约为300万人，皮肤缺损患者约为400万人，每年等待器官移植的患者有150万人。
自体移植和异体移植是组织和器官修复领域常用的手段。但自体移植对供体区域限制较大，异体移植存在排异反应，并且中国供体的供需矛盾极大，移植器官满足率仅为1:150。
在此情况下，再生型组织工程产品成为了解决组织和器官修复领域供需矛盾的突破口。目前，我基金会承研单位银丰生命科学研究院已经开展了3D生物打印相关研究，通过研发以脱细胞基质为主体的新生物打印墨水以及打印参数，打印出预先设计的生物支架。接下来进行负载活细胞的3D打印，模拟体内组织或器官的结构，构建仿生人工组织或器官，并研究其生物学特性。生科院将以制造可植入人体的3D打印生物组织支架及器官为奋斗目标，我们相信，假以时日，这一技术终会被突破，3D打印将掀起再生医学的革新浪潮，让更多病患重获新生。
