马里兰大学3D纳米打印技术可防止连续胚胎注射中的微针堵塞

 2025年10月8日，美国马里兰大学研究团队首次利用纳米级3D打印技术，成功制造出高纵横比、结构复杂的微针，从根源上解决了胚胎显微注射中的针头堵塞难题。这种增材制造工艺实现了精确的单片式针头设计，性能显著优于传统的玻璃针头。得益于更高的几何一致性，这一突破为发育生物学和基因工程等领域提供了更可靠、高效的显微注射解决方案。

双光子激光直接写入实现高精度微针增材制造
      显微注射是发育生物学和基因工程的一项基石技术，能够将细胞、核酸或蛋白质递送到胚胎和其它生物靶标中。标准微针通常由热拉伸玻璃毛细管制成，单个开口与插入方向一致。这种结构会导致细胞质物质在穿刺过程中卡在针尖处，从而频繁堵塞，干扰注射并损害敏感样本。
   为了解决这些故障模式，研究团队采用了非原位直接激光写入 (esDLW) 技术，这是一种双光子聚合技术，利用飞秒红外激光在感光树脂内部引发光聚合。团队使用德国高分辨率3D 打印系统制造商Nanoscribe GmbH & Co. KG的IP-L光刻胶，在熔融石英毛细管上直接打印空心微针尖端。
 

每根微针高650 µm，外径15 µm，内径10 µm。3D设计包含一个密封的细尖针尖、20个直径5 µm的侧孔以及一个由 3.25 µm×3.25 µm孔径组成的内部过滤器。对照微针具有相同的尺寸和内部过滤器，但使用传统的单顶孔开口。3D微针打印大约需要10分钟，而更简单的对照版本则需要5分钟。

由于体素几何限制，侧端口的位置与插入方向正交：esDLW体素横向尺寸为0.6 µm，纵向尺寸为3.3 µm，有利于提高水平特征分辨率。这确保了端口形成的一致性，同时又不影响针尖的锋利度或内部通道的完整性。

扫描电子显微镜证实了打印的聚合物与毛细管基底之间完全粘合。尺寸分析显示，打印微针的制造重复性在±0.2 µm以内，而手工拉制的玻璃针尖的重复性则为±4.0 µm，几何一致性提高了约40倍。

为了评估机械强度和流动稳定性，研究人员使用染色水溶液进行了线性和循环爆破压力测试。在高达200 kPa的输入压力以及100 kPa以上连续100次压力循环下，对照微针和3D微针均保持结构和液压完整性。流动始终保持线性，未出现泄漏引起的阻力下降或针尖脱落的迹象。这些体外结果表明，两种打印微针均能承受实验室注射系统的典型压力。

由于这些测试使用的是清洁的液体，因此无法捕捉到生物污染物引起的失效模式。两种打印设计之间的区别仅在活体胚胎试验中显现出来。
 

机械强度与流动稳定性经受高压测试
      核心实验使用罗丹明B染色的水，对活体去绒毛斑马鱼胚胎进行每针100次连续显微注射。每种类型（玻璃、印刷对照和3D）各10根微针进行评估，共计注射3000次。每注射20次后，裂解胚胎并测量荧光强度以量化残留液体量。3D微针的输送量最高，且波动性最低。在前20次注射中，3D微针的荧光读数为9.41±1.87，而玻璃针的荧光读数为4.52±1.58，对照微针的荧光读数为5.73±1.38。在3D微针设计的5个20次注射区段中，输送量始终保持一致，而其它组的输送量则出现下降或不稳定。到40次注射时，玻璃针的平均输送量仅为基线输送量的0.30±0.37。
     在胚胎注射环节之间，研究团队对油滴进行了模拟注射，以测量输送能力并检测堵塞情况。这些模拟注射（每20次胚胎注射前后进行）显示，玻璃针（发生率为44±26%）和对照针（发生率为26±23%）均发生了多次堵塞，但3D打印针头未发生完全堵塞。所有打印针头均共用一个内部过滤器，这证实了侧孔结构是避免堵塞的关键区别因素。视觉证据进一步支持了这些结果。用玻璃针注射的胚胎在注射后的显微照片中显示出更多的碎片，这表明在插入和拔出过程中机械损伤增加。
 

多场景应用与性能一致性推动行业升级
     早期为了降低微注射失败率，人们尝试过通过洁净室微加工技术制造硅基侧孔针头。这些方法虽然实用，但成本高昂、劳动强度大，且几何形状受限。相比之下，esDLW工艺能够高速、灵活地生产具有集成功能的复杂几何形状针头，无需粘合剂、后处理或对准步骤。
      打印长宽比接近40:1、连接处密封且流路多层的微针，能力有望拓展至其它微尺度应用，包括靶向给药、眼内注射、显微外科手术以及膜集成微流体系统。随着激光功率、扫描速度和高通量光刻胶的不断改进，打印时间有望大幅缩短至远低于当前水平。除了解决堵塞问题外，高尺寸保真度还可以消除对每个针头进行校准的需要。标准玻璃微针的尖端直径和输送特性通常各不相同，需要手动调整。几何形状一致的打印针头可以实现性能一致的自动化或批量处理方案。
    虽然本研究使用的是染料溶液，但集成过滤器的优势在注射含有细胞或颗粒的悬浮液时可能更为显著。未来的研究可能会探讨这些情况，以及注射引起的损伤、渗漏以及在其它生物靶标中的给药后滞留。该研究证实，亚微米3D打印技术为微注射工作流程中持续存在的堵塞问题提供了一种实用的、几何驱动的解决方案。通过从手工制造转向数字控制的增材制造架构，研究人员可以提高精度、减少差异性，并扩展微针输送系统在研究和临床环境中的实用性。