研究人員首次實現活細胞內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的研究團隊首次通過3D打印直接在活細胞內打印微小的功能結構。這項技術為在單個細胞級別上精確操控和改造細胞內部結構開辟了新路徑。未來，該方法有望應用于細胞內傳感、靶向藥物釋放、細胞行為追蹤以及合成生物學等多個前沿領域。

△活體HeLa細胞內打印的10微米“大象”共聚焦圖像

在項目負責人、物理學家Matjaž Humar的帶領下，研究團隊采用高精度雙光子聚合（2PP）激光技術，在活體HeLa細胞的細胞質內原位打印出定制聚合物微結構，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。

△相關研究成果已發(fā)表于arXiv上，題目為“活細胞內功能微結構的雙光子3D打印”（傳送門）

活細胞內直接制造

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。當激光按照預設模式穿過液滴時，它會形成一個堅固的三維結構，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系統進行打印，該系統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重要。

△細胞內3D打印流程

為了解該程序對細胞健康的影響，團隊進行了一項24小時的細胞活力研究。在打印結構的細胞中，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了10%的細胞死亡，這可能是由于長時間操作造成的。這些數據表明，注射過程中的膜滲透是主要的應力來源，而非結構本身。

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構傳遞給子細胞。共聚焦成像證實，包括細胞核在內的內部組件能夠適應該結構，且不會損害它的完整性，表明細胞能夠適應這些外來元素而不會立即受到干擾。

△打印結構對細胞活力的影響

細胞內3D打印技術的突破與應用前景

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。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構保真度，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網格組成的3D條形碼，展示了這些指紋在實際應用中的潛力。每個結構可容納61位數據，足以唯一地標記人體中的每個細胞。這些預先設計的代碼可在復雜的生物學研究中實現一致的標記和長期跟蹤。

他們還在細胞內部打印了衍射光柵，當受到光照時，會產生獨特的光散射圖案。由于衍射輪廓取決于細胞結構的幾何形狀和方向，這些打印件可以實現細胞位置或旋轉的遠程光學讀取。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小時內死亡或出現明顯的應激反應。

△在活細胞內打印的應用前景

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計結構與細胞器進行機械相互作用、改變細胞形狀或分離細胞質的特定區(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部進行感知和信號處理的工具。

總的來說，這為細胞內傳感、靶向藥物釋放和細胞行為追蹤等多種應用提供了新的可能性。這項技術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，并且通常會將物質困在囊泡內。通過直接在細胞質中構建，研究人員可以接觸到更廣泛的細胞，并更好地控制合成結構與原生生物相互作用的位置和方式。