华南理工大学《Matter》：厉害了！PVA水凝胶，帮助阴茎受损猪恢复勃起功能！

据报道显示，大约一半的40至70岁的男性患有某种形式的勃起功能障碍，而估计有5%的人患有佩罗尼氏病，其白膜中形成疤痕组织，引起疼痛和勃起障碍等问题。

人们很少关注这个领域，但这个领域的相关需求是巨大的。

近日，来自华南理工大学的施雪涛教授课题组受天然白膜（TA）的启发，研发出一种卷曲可排列的可应变硬化的水凝胶人工白膜（ATA），这种ATA可在小变形间隔内的快速应变硬化，具有优异的抗疲劳性能及高韧性，在阴茎损伤修复方面有很大的前景。相关论文以“Bionic artificial penile Tunica albuginea”为题目发表在Matter期刊上。

海绵体的“水管”至关重要

TA是一种坚韧而富有弹性的组织，其包裹在阴茎的海绵体上，由外层纵向层和内层圆形层组成的双层结缔组织。在阴茎勃起过程中，TA的正交纤维结构作为一种流体静力骨架起着至关重要的作用。

图|男性阴茎生理结构图

然而，TA可能因佩罗尼氏病、损伤或老化而受损，导致阴茎弯曲、勃起疼痛和性交困难等问题。治疗这些问题的方法一般是通过手术切除部分纤维斑块，但这会导致阴茎的缩短。

因此，为减少阴茎缩短，目前有研究建议使用自体鞘、小肠粘膜下层、心包、肌筋膜或猪膀胱等来制作TA斑块。尽管这些研究取得了一定成功，但是都存在一些不可避免的缺点，包括免疫排斥、供体部位并发症和移植物收缩。此外，它们的微观结构与天然TA有很大的不同，且比较难保持形态，不能实现正常勃起功能的恢复。

图|阴茎勃起过程中TA微观结构的变化及ATA在TA损伤修复中的应用

对比上述材料，水凝胶更具优势，其材料选择范围广、具有可调的机械性能，更重要的是，水凝胶可以做成定向排列的纤维，模拟天然TA的双层微结构。

在该研究中，研究人员选择聚乙烯醇（PVA）来制备水凝胶，PVA具有高强度及生理安全，已经广泛用于组织的修复和再生。

研究人员首先将PVA低温凝胶拉伸产生取向，然后使用生物安全交联剂三偏磷酸钠STMP固定该结构，构建仿生弯曲纤维结构。

研究人员通过冻结和解冻PVA水溶液至少三个循环，制备了各向同性PVA水凝胶。之后将低分子量PVA(87%-90%水解，Mw 3 - 70000)加入高分子量PVA(99%水解，Mw 146000 - 186000)溶液中，得到具有均匀多孔网络的各向同性PVA水凝胶。再将各向同性PVA拉伸至l = 3，在15% wt % STMP溶液中浸泡24 h，得到定向水凝胶。

为触发共价交联，研究人员将STMP溶液的pH调整到大约12。傅里叶变换红外(FTIR)光谱表明形成了稳定的交联，此时得到的水凝胶称为拉伸PVA。拉伸的PVA干燥24小时后，形成微晶区域，以增加水凝胶的韧性和稳定性。最后，将干燥的贴片浸泡在磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液中再水化，以获得各向异性的PVA贴片。

图|各向异性PVA贴片的制备工艺及结构

而各向异性材料通常在一个方向上强度高，而在另一个方向上强度明显较低。在阴茎勃起过程中，TA同时受到轴向和径向的拉伸，单层各向异性PVA贴片难以满足TA贴片的需求。

研究人员表示，这一问题可以通过精确模拟天然TA双层结构来解决，将两个各向异性PVA补丁被旋转到90°根据拉伸方向进行交叉和粘接，构造了具有双层正交结构的ATA。

为使两层PVA贴片在不影响拉伸强度的情况下牢固地粘在一起，研究人员利用PVA贴片中残留的羟基，使用使用PVA/STMP溶液作为粘结剂对各向异性PVA贴片进行层压。结果表明，粘接的ATA(粘接面积约为2.5 cm2)可以承受2.08 kg的机械载荷而不分层，表明其粘结力很强。

此外，ATA具有优异的力学性能，与猪和狒狒的TA组织相比，ATA具有非常相似的断裂强度和断裂伸长率，表明其具有作为TA贴片的潜力。且1mm厚的ATA具有较高的爆破压力(71.5 kPa)，远高于人勃起时海绵体内压力(5.1-31.5 kPa)，这保证了使用时的安全性。在此基础上，通过结构仿生设计，ATA可获得快速应变强化、高爆破压力、优异的缝合性能等特性。

图| ATA的制备方法和力学性能

成功应用

实验的最终目的便是能够很好地应用实验产品。为进一步分析ATA的生物相容性及验证其临床应用的可能性，研究人员选择大鼠的皮肤成纤维细胞在ATA存在下培养5天。结果表明ATA无明显的细胞毒性。此外，研究人员在大鼠皮下包埋实验结果中未见明显的纤维化及异常炎症反应。因此，ATA具有较高的生物相容性，可作为长期替代材料使用。

最后，利用TA损伤猪模型，在TA修复实验中验证了ATA的效果。研究人员采用巴马小型猪作为实验对象，因为巴马小型猪没有明显的阴茎棘，且阴茎大小与人类相似。

研究人员在所有实验猪的阴茎上做一个边长约8毫米的方形切口，建立TA损伤模型和实验组与对照组。在海绵体中注射生理盐水使阴茎勃起，观察阴茎勃起后的形状。结果显示，术后ATA将正常勃起形态恢复到与正常阴茎组织相当的水平，表明ATA贴片在勃起过程中取代了天然TA的功能。这种仿生ATA可能会激发液体驱动软体机器人的发展。

施雪涛教授对这一结果表示，“我们在很大程度上预见了ATA构建过程的问题和结果，但我们仍然对动物实验的结果感到惊讶，其中阴茎在使用ATA后立即恢复正常勃起。”

图| ATA对猪TA损伤的修复作用

此外应变强化材料可以表现出与邻近组织的顺应性，并在大变形时增强应变限制能力和功能鲁棒性，这也可能激发电子皮肤、可穿戴设备或植入式传感器的设计。

施雪涛教授表示，“我们现阶段的工作重点是修复阴茎中的单个组织，下一阶段将从整体角度考虑整体阴茎缺陷的修复或人造阴茎的构建。”并且，施雪涛教授补充说，研究人员还计划修复其他组织的技术，比如心脏和膀胱。

封面来源：图虫创意