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前瞻洞察|具有抗堵塞特征的胚胎显微注射针的3D纳米打印
发布时间:
2026-01-09
引言：显微注射技术是生物医学领域（涵盖基础研究与临床应用）的核心工具，其应用场景包括细胞生物学、系统生物学、发育生物学研究，干细胞基因操作、卵胞浆内单精子注射（intracytoplasmic sperm injection，ICSI）、疾病建模，以及体外受精（in vitro fertilization，IVF）、胚胎植入前基因诊断、眼内注射等临床操作。该技术的核心载体是空心微针（又称微吸管、微毛细管针），主要功能是将细胞、DNA、RNA、蛋白质、病毒、微/纳米颗粒等微量物质直接递送至细胞、胚胎、组织、器官等生物靶标中。传统空心微针的主流制造流程为：玻璃毛细管加热软化→轴向拉伸形成锥形尖端→冷却固化→切割/研磨尖端形成单一开口（内/外径按需调整）。这种制造方式决定了传统微针的固有结构——仅在针尖顶端存在一个与插入方向共线的开口，为后续应用中的堵塞问题埋下隐患。虽有研究通过传统微加工制造“侧孔微针”以减少堵塞，但此类工艺耗时、成本高，过去数十年难以在显微注射领域普及。针对以上痛点，美国马里兰大学研究人员基于双光子直接激光写入（Two-PhotonDirectLaserWriting，DLW）的离位3D打印技术（ex situ DLW，esDLW），提出了“结构重构+制造革新”的双重解决方案，以“3D nanoprinting of embryo microinjection needles with anti-clogging features”为题目发表在权威学术期刊《Microsystems&Nanoengineering》上。
摘要：涵盖科研与临床领域的生物医学应用，均依赖显微注射技术流程——该流程需使用一根细长的空心微针，将外源物质直接递送至胚胎等生物靶标中。遗憾的是，传统微针易发生堵塞（例如在穿刺过程中，胚胎的细胞质物质会嵌入针尖内部，进而阻碍递送），这促使研究人员采用自上而下的微加工技术改造针尖，以减少此类失效情况。而亚微米级增材制造技术“双光子直接激光写入（DLW）”的最新进展，为通过几何设计重新构建针尖结构、解决堵塞问题提供了一条自下而上的新途径。本研究中，我们通过3D打印技术制备出整体式空心微针（高度650µm、直径15µm），该微针集成了旨在缓解堵塞现象的三大结构特征：（1）实心细针尖；（2）多个侧孔（即与插入方向垂直）；（3）内置微滤器。利用活体斑马鱼胚胎开展的连续显微注射实验表明，这种3D打印微针展现出更优异的递送性能，且未出现任何完全堵塞情况——而完全堵塞在标准玻璃微针和3D打印对照微针中均十分普遍。这些研究结果显示，基于DLW的3D打印技术在高精度显微注射应用中具有独特潜力，尤其适用于需要大量连续注射或涉及关键递送物质与靶标的场景。
创新点：
研究基于双光子直接激光写入（DLW）的离位3D打印技术（esDLW），从“结构重构”与“制造革新”双维度提出解决方案，核心创新如下：
抗堵塞结构设计（三重协同防护）：首次在单体制成的空心微针中集成三大抗堵塞特征，从“预防-拦截-冗余”三个层面解决堵塞问题。
实心细针尖：替代传统顶端开口，穿刺时避免靶标物质直接进入针内，从源头减少堵塞诱因；
多侧孔阵列：在针尖下方设置20个直径5μm的侧孔（垂直于插入方向），仅当所有侧孔同时堵塞时才会导致递送失败，大幅降低完全堵塞概率；
内置微滤器：在微针基部集成3.25μm×3.25μm的微孔阵列，提前拦截流体中的颗粒/聚集物，避免后端通道堵塞。
制造技术突破：
单体制成与无缝密封：通过esDLW技术直接在玻璃毛细管顶端打印微针结构，无需粘合剂，实现微针与毛细管的全流体密封，避免注射时流体泄漏；
高精度与高重复性：打印微针的外径（OD）误差仅±0.1~0.2μm、内径（ID）误差±0.1~0.2μm，远优于传统玻璃针（OD误差±4.0μm、ID误差±3.1μm），无需后续校准即可直接使用；
高效低成本：3D抗堵塞微针打印时间仅需10分钟，对照微针5分钟，规避传统微加工的高成本与长周期，适合规模化应用。
图1 esDLW制造流程、微针结构与斑马鱼注射原理
a-c：esDLW制造流程
a：玻璃毛细管（琥珀熔融石英材质，ID=75μm、OD=360μm）加载至DLW打印机，顶端包裹IP-L光刻胶；
b：飞秒红外激光在光刻胶中“逐层逐点”扫描，通过双光子聚合（2PP）形成微针结构；
c：打印完成后，微针与毛细管形成全流体密封的集成体，无需粘合剂。
d：3D抗堵塞微针核心结构
标注“实心细针尖”“多侧孔阵列”“内置微滤器”三大抗堵塞特征，直观展示与传统微针的结构差异。
e：流体递送路径
展示流体从毛细管→微滤器（拦截颗粒）→主通道→侧孔（流出）的完整路径，解释“滤器—侧孔”协同防堵塞的机制。
f-i：斑马鱼胚胎注射步骤
f：实心细针尖穿刺胚胎表面；
g：微针穿透胚胎（无顶端开口堵塞风险）；
h：流体通过侧孔递送至胚胎内；
i：拔出微针，递送物质留存于胚胎中，完成注射。
图2 esDLW打印微针的制造结果
a-c：3D抗堵塞微针
a：计算机辅助制造（CAM）模拟图，展示微针整体结构（实心针尖+侧孔+滤器）；
b：打印过程中的明场显微镜图，显示微针实时成型状态；
c：SEM图（含局部放大，比例尺100μm/10μm），清晰观测20个5μm侧孔与毛细管接口的无缝连接，无物理缺陷。
d-f：esDLW对照微针
d：CAM模拟图（顶端单一开口，无侧孔）；
e：打印过程明场图；
f：SEM图（比例尺100μm/10μm），验证对照针顶端开口结构与尺寸精度（OD≈15.4μm）。
g-h：内置微滤器表征
g：微针截面SEM图（比例尺100μm，局部放大25μm）；
h：微滤器底部SEM图（比例尺25μm），显示3.25μm×3.25μm的均匀微孔，证明其拦截颗粒的能力。
图3 微流控爆破压力实验结果
a-b：流体注射验证
a：对照针注入罗丹明染色DI水的明场图；
b：3D抗堵塞针的流体注射图，均显示流体仅从设计开口（顶端/侧孔）流出，无接口泄漏（比例尺100μm）。
c-d：线性压力-流量曲线
c：对照针（n=10）；
d：3D抗堵塞针（n=10），曲线呈稳定线性（误差线为标准差），无异常波动，证明接口在0~200kPa内无泄漏/破裂。
e-f：循环压力-流量曲线
e：对照针；
f：3D抗堵塞针（100次110kPa/0kPa循环），流量在每次压力加载后均恢复至稳定水平（无“流量漂移”），证明接口可耐受serial注射的反复载荷。
图4 斑马鱼胚胎活体注射的荧光强度结果
a-d：注射过程显微图
a、c：3D抗堵塞针注射时的明场图（a）与注射后的明场图（c）；
b、d：对应荧光图，显示罗丹明染色流体成功递送至胚胎内（比例尺250μm）。
e：荧光强度统计柱状图
横轴为注射组（1~20、21~40…81~100次注射），纵轴为荧光强度（a.u.），误差线为标准差（n=10根针/每种类型，共3000次注射）；结果显示3D抗堵塞针荧光强度显著高于传统针（p<0.0001）与对照针（p<0.001），证明递送效率更高。
图5 斑马鱼胚胎注射的堵塞情况结果
a：注射过程示意图
展示3D抗堵塞针对斑马鱼胚胎的serial注射操作（比例尺500μm）。
b-d：归一化递送体积曲线
横轴为注射次数（0~100次），纵轴为归一化递送体积（与初始伪注射均值对比）：
b：传统玻璃针，体积显著降低（最低0.30±0.37，p<0.0001），波动大（标准差0.37~0.51）；
c：esDLW对照针，仅2次显著降低（60/80次注射，p<0.05/0.01），波动较传统针小；
d：3D抗堵塞针，仅100次注射时轻微降低（0.85±0.20，p<0.05），波动最小（标准差0.07~0.26）。
e-g：完全堵塞次数统计
横轴为微针编号（1~10），纵轴为完全堵塞次数：
e：传统针，7根针出现3次以上堵塞，总堵塞率44.0±26.3%；
f：对照针，2根针出现3次以上堵塞，总堵塞率26.0±23.2%；
g：3D抗堵塞针，无任何完全堵塞事件，抗堵塞效果显著。
研究针对传统胚胎显微注射针“易堵塞、尺寸波动大、替代方案难普及”的痛点，基于esDLW 3D打印技术开发了具有三重抗堵塞特征的空心微针，核心贡献如下：
技术突破：首次实现“实心细针尖+多侧孔+内置微滤器”的单体制成，结合esDLW技术的高精度（尺寸误差<0.2μm）与高效性（打印<10分钟），解决传统制造的固有矛盾；
性能验证：通过微流控测试证明接口可耐受200kPa线性压力与100次循环压力，无泄漏；斑马鱼胚胎实验显示3D抗堵塞针无完全堵塞事件，递送效率（荧光强度）较传统针提升1倍以上，且可能减少胚胎损伤；
应用价值：该技术不仅适用于胚胎显微注射，还可拓展至细胞、组织等其他生物靶标的递送，以及药物递送、lab-on-a-chip系统等领域，为生物医学研究与临床操作提供可靠的微针解决方案。
研究的限性在于未直接评估胚胎术后存活率，未来可进一步优化微针材料生物相容性，并拓展至更大体积生物靶标（如哺乳动物胚胎）的注射验证。
文章来源：Sarker, S., Wen, Z., Acevedo, R. et al. 3D nanoprinting of embryo microinjection needles with anti-clogging features. Microsyst Nanoeng 11, 171 (2025).
文章网址：https://www.nature.com/articles/s41378-025-01005-2
DOI:https://doi.org/10.1038/s41378-025-01005-2
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