馬里蘭大學3D納米打印技術可防止連續(xù)胚胎注射中的微針堵塞

2025年10月8日，南極熊獲悉，美國馬里蘭大學研究團隊首次利用納米級3D打印技術，成功制造出高縱橫比、結構復雜的微針，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現(xiàn)了精確的單片式針頭設計，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)育生物學和基因工程等領域提供了更可靠、高效的顯微注射解決方案。

△相關研究成果已發(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現(xiàn)高精度微針增材制造

顯微注射是發(fā)育生物學和基因工程的一項基石技術，能夠將細胞、核酸或蛋白質遞送到胚胎和其它生物靶標中。標準微針通常由熱拉伸玻璃毛細管制成，單個開口與插入方向一致。這種結構會導致細胞質物質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，研究團隊采用了非原位直接激光寫入 (esDLW) 技術，這是一種雙光子聚合技術，利用飛秒紅外激光在感光樹脂內(nèi)部引發(fā)光聚合。團隊使用德國高分辨率3D 打印系統(tǒng)制造商Nanoscribe GmbH & Co. KG的IP-L光刻膠，在熔融石英毛細管上直接打印空心微針尖端。

△使用“非原位激光直接寫入 (esDLW)”技術增材制造具有3D結構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設計包含一個密封的細尖針尖、20個直徑5 μm的側孔以及一個由 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了打印的聚合物與毛細管基底之間完全粘合。尺寸分析顯示，打印微針的制造重復性在±0.2 μm以內(nèi)，而手工拉制的玻璃針尖的重復性則為±4.0 μm，幾何一致性提高了約40倍。

為了評估機械強度和流動穩(wěn)定性，研究人員使用染色水溶液進行了線性和循環(huán)爆破壓力測試。在高達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微針均保持結構和液壓完整性。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。這些體外結果表明，兩種打印微針均能承受實驗室注射系統(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。兩種打印設計之間的區(qū)別僅在活體胚胎試驗中顯現(xiàn)出來。

△基于esDLW技術，直接在熔融石英玻璃毛細管上3D打印微注射針的制造結果

機械強度與流動穩(wěn)定性經(jīng)受高壓測試

核心實驗使用羅丹明B染色的水，對活體去絨毛斑馬魚胚胎進行每針100次連續(xù)顯微注射。每種類型（玻璃、印刷對照和3D）各10根微針進行評估，共計注射3000次。每注射20次后，裂解胚胎并測量熒光強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微針設計的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，研究團隊對油滴進行了模擬注射，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，這證實了側孔結構是避免堵塞的關鍵區(qū)別因素。

視覺證據(jù)進一步支持了這些結果。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械損傷增加。

△將熒光標記的水性液體顯微注射到活體去絨毛斑馬魚胚胎中的實驗結果

多場景應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制造硅基側孔針頭。這些方法雖然實用，但成本高昂、勞動強度大，且?guī)缀涡螤钍芟?。相比之下，esDLW工藝能夠高速、靈活地生產(chǎn)具有集成功能的復雜幾何形狀針頭，無需粘合劑、后處理或對準步驟。

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用，包括靶向給藥、眼內(nèi)注射、顯微外科手術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，打印時間有望大幅縮短至遠低于當前水平。

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行校準的需要。標準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中的給藥后滯留。

該研究證實，亞微米3D打印技術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用的、幾何驅動的解決方案。通過從手工制造轉向數(shù)字控制的增材制造架構，研究人員可以提高精度、減少差異性，并擴展微針輸送系統(tǒng)在研究和臨床環(huán)境中的實用性。