马里兰大学研究团队近日证实，纳米级3D打印可制造高深宽比微针，彻底解决胚胎显微注射中的堵塞问题。发表于《自然-通讯》的研究结果显示，通过双光子激光直写技术实现的整体式微针设计，在连续体内实验中性能显著优于传统玻璃微针与常规打印对照组。

作为发育生物学与基因工程的核心技术，显微注射能将细胞、核酸或蛋白质导入胚胎等生物样本。传统玻璃微针通过热拉拔毛细玻璃管制成，仅设单一轴向开口，导致穿刺时细胞质易堵塞针尖，不仅中断注射过程，更危及珍贵样本。

增材制造实现侧孔与过滤一体化设计

为解决这一技术瓶颈，研究团队采用异位激光直写技术——一种飞秒红外激光在光敏树脂内部引发光聚合的双光子聚合工艺。借助德国高精度3D打印系统制造商Nanoscribe的IP-L光刻胶，团队直接在熔融石英毛细管顶端打印出中空微针尖。

每支微针高650微米，外径15微米，内径10微米。其三维结构包含密封式尖锥端头、20个直径5微米的侧向开口，以及由3.25×3.25微米孔径构成的内部过滤器。对照组微针在尺寸与内部过滤器方面保持一致，但采用传统顶端单孔设计。3D微针打印耗时约10分钟，而简易对照组仅需5分钟。

受体素几何特性限制（esDLW体素横向精度0.6微米，纵向3.3微米），侧孔采用与穿刺方向垂直的设计。该方案在保证针尖锐度与内部通道完整性的同时，实现了精准的侧孔成型。

扫描电镜证实打印聚合物与毛细管基体结合完好。尺寸分析显示打印微针制造重复性达±0.2微米，相较人工拉制玻璃针±4.0微米的波动，几何一致性提升约40倍。

力学测试验证结构可靠性

通过染色水溶液进行的线性与循环爆破压力测试表明：在200kPa输入压力及100次≥100kPa压力循环下，对照组与3D微针均保持结构与液压完整性。流体始终维持线性流动，未出现泄漏导致的阻力下降或针尖脱落。体外实验证明两种打印结构均能承受实验室注射系统的典型压力。

由于测试使用纯净液体，此类实验未能反映生物污染物引发的故障模式。两种设计的性能差异仅在活体胚胎实验中显现。

活体胚胎注射验证防堵塞性能

核心实验采用罗丹明B染色水溶液，对去绒毛膜斑马鱼胚胎进行每组100次连续注射。每类微针（玻璃针、打印对照组、3D微针）各测试10支，累计完成3000次注射。每完成20次注射后，通过裂解胚胎并检测荧光强度来量化液体残留量。

3D微针输送液体量最高且波动最小。首轮20次注射中，3D微针荧光读数为9.41±1.87，玻璃针为4.52±1.58，打印对照组为5.73±1.38。在全部五轮注射中，3D微针输出保持稳定，其余两组则出现递减或波动。至第40次注射时，玻璃针平均输送量仅为基线值的0.30±0.37。

在胚胎注射间隙，团队通过油滴伪注射检测输送能力与堵塞情况。每20次胚胎注射前后进行的伪注射显示：玻璃针堵塞率44±26%，打印对照组26±23%，而3D结构全程零完全堵塞。所有打印微针均配备相同内部过滤器，证实侧孔结构是避免阻塞的关键因素。

显微图像进一步佐证上述结果：玻璃针注射后的胚胎碎片化程度更高，提示穿刺过程引发更严重机械损伤。虽未量化，但补充图S7显示实心锥形针尖可减少组织切削与创伤。

生物医学工具的设计革新

既往防堵塞研究多聚焦基于洁净室微加工技术的硅基侧孔针设计，虽具功能性但成本高昂、工艺复杂且几何受限。相比之下，esDLW技术无需粘合剂、后处理或对准步骤，即可快速柔性制造具有集成功能的复杂几何微针。

这种能打印深宽比近40:1、具有密封接口与多层流道的技术，可延伸至靶向给药、眼内注射、显微手术及膜集成微流控等领域。随着激光功率、扫描速度与高通量光刻胶持续升级，打印时间有望大幅缩短。

除解决堵塞问题外，高尺寸一致性有望消除单支针校准需求。传统玻璃针因针尖直径与输送性能差异常需手动调整，而几何一致的打印微针为自动化批量操作提供均一性能保障。

尽管本研究使用染料溶液，但在注射含细胞或颗粒悬浊液时，集成过滤器的优势将更为显著。后续研究将聚焦其他生物靶标的注射损伤、渗漏及递送后保留等场景。

本研究证实亚微米3D打印为显微注射流程中的顽固堵塞问题提供了基于几何创新的实用解决方案。通过从手工制造向数字化增材制造的转型，研究人员在提升精度的同时降低了操作差异性，拓展了微针递送系统在科研与临床领域的应用前景。