馬里蘭大學(xué)3D納米打印技術(shù)可防止連續(xù)胚胎注射中的微針堵塞

2025年10月8日，南極熊獲悉，美國馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次利用納米級3D打印技術(shù)，成功制造出高縱橫比、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微針，從根源上解決了胚胎顯微注射中的針頭堵塞難題。這種增材制造工藝實(shí)現(xiàn)了精確的單片式針頭設(shè)計(jì)，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的玻璃針頭。得益于更高的幾何一致性，這一突破為發(fā)育生物學(xué)和基因工程等領(lǐng)域提供了更可靠、高效的顯微注射解決方案。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，題目為“具有防堵塞功能的胚胎微注射針的3D納米打印”（傳送門）

雙光子激光直接寫入實(shí)現(xiàn)高精度微針增材制造

顯微注射是發(fā)育生物學(xué)和基因工程的一項(xiàng)基石技術(shù)，能夠?qū)⒓?xì)胞、核酸或蛋白質(zhì)遞送到胚胎和其它生物靶標(biāo)中。標(biāo)準(zhǔn)微針通常由熱拉伸玻璃毛細(xì)管制成，單個開口與插入方向一致。這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)在穿刺過程中卡在針尖處，從而頻繁堵塞，干擾注射并損害敏感樣本。

為了解決這些故障模式，研究團(tuán)隊(duì)采用了非原位直接激光寫入 (esDLW) 技術(shù)，這是一種雙光子聚合技術(shù)，利用飛秒紅外激光在感光樹脂內(nèi)部引發(fā)光聚合。團(tuán)隊(duì)使用德國高分辨率3D 打印系統(tǒng)制造商N(yùn)anoscribe GmbH & Co. KG的IP-L光刻膠，在熔融石英毛細(xì)管上直接打印空心微針尖端。

△使用“非原位激光直接寫入 (esDLW)”技術(shù)增材制造具有3D結(jié)構(gòu)的空心微針用于胚胎微注射的概念概述

每根微針高650 μm，外徑15 μm，內(nèi)徑10 μm。3D設(shè)計(jì)包含一個密封的細(xì)尖針尖、20個直徑5 μm的側(cè)孔以及一個由 3.25 μm×3.25 μm孔徑組成的內(nèi)部過濾器。對照微針具有相同的尺寸和內(nèi)部過濾器，但使用傳統(tǒng)的單頂孔開口。3D微針打印大約需要10分鐘，而更簡單的對照版本則需要5分鐘。

由于體素幾何限制，側(cè)端口的位置與插入方向正交：esDLW體素橫向尺寸為0.6 μm，縱向尺寸為3.3 μm，有利于提高水平特征分辨率。這確保了端口形成的一致性，同時又不影響針尖的鋒利度或內(nèi)部通道的完整性。

掃描電子顯微鏡證實(shí)了打印的聚合物與毛細(xì)管基底之間完全粘合。尺寸分析顯示，打印微針的制造重復(fù)性在±0.2 μm以內(nèi)，而手工拉制的玻璃針尖的重復(fù)性則為±4.0 μm，幾何一致性提高了約40倍。

為了評估機(jī)械強(qiáng)度和流動穩(wěn)定性，研究人員使用染色水溶液進(jìn)行了線性和循環(huán)爆破壓力測試。在高達(dá)200 kPa的輸入壓力以及100 kPa以上連續(xù)100次壓力循環(huán)下，對照微針和3D微針均保持結(jié)構(gòu)和液壓完整性。流動始終保持線性，未出現(xiàn)泄漏引起的阻力下降或針尖脫落的跡象。這些體外結(jié)果表明，兩種打印微針均能承受實(shí)驗(yàn)室注射系統(tǒng)的典型壓力。

由于這些測試使用的是清潔的液體，因此無法捕捉到生物污染物引起的失效模式。兩種打印設(shè)計(jì)之間的區(qū)別僅在活體胚胎試驗(yàn)中顯現(xiàn)出來。

△基于esDLW技術(shù)，直接在熔融石英玻璃毛細(xì)管上3D打印微注射針的制造結(jié)果

機(jī)械強(qiáng)度與流動穩(wěn)定性經(jīng)受高壓測試

核心實(shí)驗(yàn)使用羅丹明B染色的水，對活體去絨毛斑馬魚胚胎進(jìn)行每針100次連續(xù)顯微注射。每種類型（玻璃、印刷對照和3D）各10根微針進(jìn)行評估，共計(jì)注射3000次。每注射20次后，裂解胚胎并測量熒光強(qiáng)度以量化殘留液體量。

3D微針的輸送量最高，且波動性最低。在前20次注射中，3D微針的熒光讀數(shù)為9.41±1.87，而玻璃針的熒光讀數(shù)為4.52±1.58，對照微針的熒光讀數(shù)為5.73±1.38。在3D微針設(shè)計(jì)的5個20次注射區(qū)段中，輸送量始終保持一致，而其它組的輸送量則出現(xiàn)下降或不穩(wěn)定。到40次注射時，玻璃針的平均輸送量僅為基線輸送量的0.30±0.37。

在胚胎注射環(huán)節(jié)之間，研究團(tuán)隊(duì)對油滴進(jìn)行了模擬注射，以測量輸送能力并檢測堵塞情況。這些模擬注射（每20次胚胎注射前后進(jìn)行）顯示，玻璃針（發(fā)生率為44±26%）和對照針（發(fā)生率為26±23%）均發(fā)生了多次堵塞，但3D打印針頭未發(fā)生完全堵塞。所有打印針頭均共用一個內(nèi)部過濾器，這證實(shí)了側(cè)孔結(jié)構(gòu)是避免堵塞的關(guān)鍵區(qū)別因素。

視覺證據(jù)進(jìn)一步支持了這些結(jié)果。用玻璃針注射的胚胎在注射后的顯微照片中顯示出更多的碎片，這表明在插入和拔出過程中機(jī)械損傷增加。

△將熒光標(biāo)記的水性液體顯微注射到活體去絨毛斑馬魚胚胎中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多場景應(yīng)用與性能一致性推動行業(yè)升級

早期為了降低微注射失敗率，人們嘗試過通過潔凈室微加工技術(shù)制造硅基側(cè)孔針頭。這些方法雖然實(shí)用，但成本高昂、勞動強(qiáng)度大，且?guī)缀涡螤钍芟?。相比之下，esDLW工藝能夠高速、靈活地生產(chǎn)具有集成功能的復(fù)雜幾何形狀針頭，無需粘合劑、后處理或?qū)?zhǔn)步驟。

打印長寬比接近40:1、連接處密封且流路多層的微針，能力有望拓展至其它微尺度應(yīng)用，包括靶向給藥、眼內(nèi)注射、顯微外科手術(shù)以及膜集成微流體系統(tǒng)。隨著激光功率、掃描速度和高通量光刻膠的不斷改進(jìn)，打印時間有望大幅縮短至遠(yuǎn)低于當(dāng)前水平。

除了解決堵塞問題外，高尺寸保真度還可以消除對每個針頭進(jìn)行校準(zhǔn)的需要。標(biāo)準(zhǔn)玻璃微針的尖端直徑和輸送特性通常各不相同，需要手動調(diào)整。幾何形狀一致的打印針頭可以實(shí)現(xiàn)性能一致的自動化或批量處理方案。

雖然本研究使用的是染料溶液，但集成過濾器的優(yōu)勢在注射含有細(xì)胞或顆粒的懸浮液時可能更為顯著。未來的研究可能會探討這些情況，以及注射引起的損傷、滲漏以及在其它生物靶標(biāo)中的給藥后滯留。

該研究證實(shí)，亞微米3D打印技術(shù)為微注射工作流程中持續(xù)存在的堵塞問題提供了一種實(shí)用的、幾何驅(qū)動的解決方案。通過從手工制造轉(zhuǎn)向數(shù)字控制的增材制造架構(gòu)，研究人員可以提高精度、減少差異性，并擴(kuò)展微針輸送系統(tǒng)在研究和臨床環(huán)境中的實(shí)用性。