研究人員首次實現(xiàn)活細胞內(nèi)3D打印，打開細胞級精密制造新大門

2025年7月22日，南極熊獲悉，斯洛文尼亞J. Stefan研究所與盧布爾雅那大學(xué)的研究團隊首次通過3D打印直接在活細胞內(nèi)打印微小的功能結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)為在單個細胞級別上精確操控和改造細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)開辟了新路徑。未來，該方法有望應(yīng)用于細胞內(nèi)傳感、靶向藥物釋放、細胞行為追蹤以及合成生物學(xué)等多個前沿領(lǐng)域。

△活體HeLa細胞內(nèi)打印的10微米“大象”共聚焦圖像

在項目負責(zé)人、物理學(xué)家Matjaž Humar的帶領(lǐng)下，研究團隊采用高精度雙光子聚合（2PP）激光技術(shù)，在活體HeLa細胞的細胞質(zhì)內(nèi)原位打印出定制聚合物微結(jié)構(gòu)，包括微型激光器、追蹤條形碼，甚至10微米大小的“大象”模型。整個過程未對細胞內(nèi)部環(huán)境造成明顯損傷，確保了細胞的活性和功能完整性。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表于arXiv上，題目為“活細胞內(nèi)功能微結(jié)構(gòu)的雙光子3D打印”（傳送門）

活細胞內(nèi)直接制造

新工藝首先將光刻膠液滴注入單元，然后進行激光掃描，僅在焦點處觸發(fā)聚合。當激光按照預(yù)設(shè)模式穿過液滴時，它會形成一個堅固的三維結(jié)構(gòu)，而未聚合的材料則會自然溶解。這種方法能夠精確地原位制造微型器件，無需引入外部粒子。

研究人員使用Nanoscribe的Photonic Professional GT2系統(tǒng)進行打印，該系統(tǒng)配備有適合亞微米分辨率的780 nm飛秒激光器。在材料選擇方面，他們測試了同一家制造商的幾種光刻膠，最終選擇了IP-S，因為它具有低毒性和良好的水溶性。10 µm的液滴通常會在幾小時內(nèi)溶解，因此打印完成的時間窗口為兩小時。IP-S在液體和固體狀態(tài)下的兼容性對于保持細胞活力至關(guān)重要。

△細胞內(nèi)3D打印流程

為了解該程序?qū)毎】档挠绊?，團隊進行了一項24小時的細胞活力研究。在打印結(jié)構(gòu)的細胞中，55%的細胞存活。注射惰性硅油的細胞活力為44%，而僅注射緩沖液的細胞活力達到50%。即使未接觸的對照組也出現(xiàn)了10%的細胞死亡，這可能是由于長時間操作造成的。這些數(shù)據(jù)表明，注射過程中的膜滲透是主要的應(yīng)力來源，而非結(jié)構(gòu)本身。

在某些情況下，細胞能夠保持正?；顒?，其中一個細胞成功分裂并將打印的結(jié)構(gòu)傳遞給子細胞。共聚焦成像證實，包括細胞核在內(nèi)的內(nèi)部組件能夠適應(yīng)該結(jié)構(gòu)，且不會損害它的完整性，表明細胞能夠適應(yīng)這些外來元素而不會立即受到干擾。

△打印結(jié)構(gòu)對細胞活力的影響

細胞內(nèi)3D打印技術(shù)的突破與應(yīng)用前景

為了評估彎曲液滴可能造成的變形，研究團隊采用了模擬和顯微鏡技術(shù)。激光焦點偏移限制在0.5微米，超過90%的液滴體積保持了小于400納米的分辨率。掃描電子顯微鏡證實了結(jié)構(gòu)保真度，打印特征尺寸小至260納米，接近批量打印的分辨率。

研究人員通過創(chuàng)建由堆疊的4×4網(wǎng)格組成的3D條形碼，展示了這些指紋在實際應(yīng)用中的潛力。每個結(jié)構(gòu)可容納61位數(shù)據(jù)，足以唯一地標記人體中的每個細胞。這些預(yù)先設(shè)計的代碼可在復(fù)雜的生物學(xué)研究中實現(xiàn)一致的標記和長期跟蹤。

他們還在細胞內(nèi)部打印了衍射光柵，當受到光照時，會產(chǎn)生獨特的光散射圖案。由于衍射輪廓取決于細胞結(jié)構(gòu)的幾何形狀和方向，這些打印件可以實現(xiàn)細胞位置或旋轉(zhuǎn)的遠程光學(xué)讀取。隨后，研究團隊通過打印高折射率、染料摻雜的光刻膠液滴，制作出微激光器。這些9微米的諧振腔在受激發(fā)時會發(fā)射激光，但毒性顯著增強，80%的細胞在22小時內(nèi)死亡或出現(xiàn)明顯的應(yīng)激反應(yīng)。

△在活細胞內(nèi)打印的應(yīng)用前景

盡管目前的局限性包括材料毒性和注射造成的細胞損失，但這種方法開辟了充滿希望的方向?？梢栽O(shè)計結(jié)構(gòu)與細胞器進行機械相互作用、改變細胞形狀或分離細胞質(zhì)的特定區(qū)域。研究團隊可以探索生化途徑、模擬疾病狀況，或引入完全在細胞內(nèi)部進行感知和信號處理的工具。

總的來說，這為細胞內(nèi)傳感、靶向藥物釋放和細胞行為追蹤等多種應(yīng)用提供了新的可能性。這項技術(shù)避免了顆粒吞噬的局限性，顆粒吞噬僅適用于某些細胞類型，并且通常會將物質(zhì)困在囊泡內(nèi)。通過直接在細胞質(zhì)中構(gòu)建，研究人員可以接觸到更廣泛的細胞，并更好地控制合成結(jié)構(gòu)與原生生物相互作用的位置和方式。