Matter：不可思议！华南理工大学施雪涛团队利用人造组织恢复猪的勃起功能，有望用于人类
2023-01-10 iNature iNature 发表于安徽省
这种ATA代表了一种改善结果和减少与TA损伤修复相关的急性和长期并发症的新方法。
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哺乳动物白膜(tunica albuginea，TA)的特征是由层叠的平行波状胶原纤维构成的双层正交结构。在勃起过程中，这些纤维经历连续的拉直和拉伸，以调节软到硬的过渡。
2023年1月4日，华南理工大学施雪涛课题组在Matter （IF=20）杂志在线发表题为“Bionic artificial penile Tunica albuginea”的研究论文，受天然TA微妙的应变自适应结构的启发，该研究提出了一种由排列但卷曲的纤维组成的应变加强水凝胶组成的人工TA (artificial TA，ATA)。这种微妙的结构是通过拉伸各向同性聚乙烯醇凝胶，然后进行共价交联而产生的。ATA具有天然TA的几个关键力学特征，包括在小变形间隔内的快速应变硬化，优异的抗疲劳性能，以维持循环爆发，以及高韧性，以承受缝合期间的点针。此外，ATA在猪模型中显示了修复损伤和恢复TA损伤阴茎组织正常勃起功能的能力。
总之，这项研究表明ATA在阴茎损伤修复方面有很大的前景。
白膜(TA)是一种坚韧而富有弹性的组织，覆盖在阴茎海绵体上。它是由外层纵向层和内层圆形层组成的双层结缔组织TA的主要成分是卷曲平行的胶原纤维，以及嵌入其中的弹性纤维。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，在勃起之前，TA的纤维是卷曲的，这使得阴茎具有很大的灵活性。随着阴茎勃起，TA的纤维被拉直，提供了强大的抗变形能力。
TA可能因佩罗尼氏病（Peyronie病，也称阴茎纤维化）、损伤和/或衰老而受损，导致阴茎弯曲、勃起疼痛和性交困难等问题，这通常需要手术治疗在大多数情况下，简单的去除纤维斑块会导致阴茎缩短。在去除纤维斑块后植入贴片移植物可减少阴茎缩短目前报道的TA斑块主要由自体组织和细胞外基质(extracellular matrix, ECM)组成。有学者建议用自体鞘、小肠粘膜下层、心包、肌筋膜、或猪膀胱ECM制作TA贴片这些TA贴片取得了一定的成功，但也有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，增加了保持TA力学和形态要求的难度，这些结构不能实现正常勃起功能的恢复。
水凝胶与来自自然组织的ECM相比有许多优点。它们可以由具有不同性能的各种原料合成，具有确定的组成，并具有可调的机械性能。更重要的是，水凝胶可以配备定向纤维，以模拟天然TA的双层微结构。例如，机械训练已被广泛用于生产水凝胶定向纤维，用于修复各种组织和器官，包括肌肉肌腱、骨膜和心肌然而，这些水凝胶大多含有完全伸直和定向的纤维，不具有类似于TA的应变加强性能。在实际应用中，这种力学不匹配可能会影响水凝胶的有效性。
除了应变强化特性外，所设计的TA贴片还应具有生物相容性、抗缝合性和血液相容性。施雪涛团队选择了三偏磷酸钠(sodium trimetaphosphate, STMP)-交联聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)水凝胶来制备符合这些要求的人工TA (ATA)。STMP交联PVA水凝胶具有优异的力学性能，为缝合提供了可能。同时，它们是血液安全的，可以在体内长时间保持稳定然而，关于其微观结构设计的报道仍然非常罕见。
TA的双层卷曲纤维结构是其勃起功能的关键。因此，定向卷曲纤维结构的仿生制备是ATA的主要挑战。在这项研究中，研究人员将各向同性PVA水凝胶改造成由平行弯曲纤维组成的双层弹性斑块。与自然TA中卷曲结构的顺序响应相似，弯曲纤维首先伸直以吸收应变，然后拉伸以诱导软到硬的转变。采用STMP交联技术，将两种各向异性PVA水凝胶连接在一起，得到了一种仿生ATA。
研究表明，ATA表现出与天然TA类似的应变强化特性，并且其爆破压力远高于勃起过程中的海绵内压力。此外，ATA优越的缝合性能使其成为临床使用的一个有吸引力的选择。不仅如此，研究人员检查了ATA的两层排列对阴茎硬度的影响。在体外和体内研究了ATA的生物相容性、抗血栓性和长期稳定性。最后，研究人员将ATA应用于巴马猪TA损伤模型。损伤部位ATA缝合后阴茎勃起恢复正常，远期预后满意。
研究概述（图源自Matter ）
综上所述，该研究利用简单的拉伸-交联方法，制备了具有仿生双层结构的ATA。冻融循环和盐析法生成的随机网状纤维拉伸后取向清晰，STMP交联后仍保持这种取向。ATA在单轴拉伸试验中表现为J型应力-应变曲线，与猪TA相似。体内和体外实验表明， ATA具有生物相容性，对猪TA损伤有积极作用。这种ATA代表了一种改善结果和减少与TA损伤修复相关的急性和长期并发症的新方法。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.032
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