2025年7月22日，南极熊获悉，斯洛文尼亚J. Stefan研究所与卢布尔雅那大学的研究团队首次通过3D打印直接在活细胞内打印微小的功能结构。这项技术为在单个细胞级别上精确操控和改造细胞内部结构开辟了新路径。未来，该方法有望应用于细胞内传感、靶向药物释放、细胞行为追踪以及合成生物学等多个前沿领域。
△活体HeLa细胞内打印的10微米“大象”共聚焦图像
在项目负责人、物理学家Matjaž Humar的带领下，研究团队采用高精度双光子聚合（2PP）激光技术，在活体HeLa细胞的细胞质内原位打印出定制聚合物微结构，包括微型激光器、追踪条形码，甚至10微米大小的“大象”模型。整个过程未对细胞内部环境造成明显损伤，确保了细胞的活性和功能完整性。
活细胞内直接制造
新工艺首先将光刻胶液滴注入单元，然后进行激光扫描，仅在焦点处触发聚合。当激光按照预设模式穿过液滴时，它会形成一个坚固的三维结构，而未聚合的材料则会自然溶解。这种方法能够精确地原位制造微型器件，无需引入外部粒子。
研究人员使用Nanoscribe的Photonic Professional GT2系统进行打印，该系统配备有适合亚微米分辨率的780 nm飞秒激光器。在材料选择方面，他们测试了同一家制造商的几种光刻胶，最终选择了IP-S，因为它具有低毒性和良好的水溶性。10 µm的液滴通常会在几小时内溶解，因此打印完成的时间窗口为两小时。IP-S在液体和固体状态下的兼容性对于保持细胞活力至关重要。
△细胞内3D打印流程
为了解该程序对细胞健康的影响，团队进行了一项24小时的细胞活力研究。在打印结构的细胞中，55%的细胞存活。注射惰性硅油的细胞活力为44%，而仅注射缓冲液的细胞活力达到50%。即使未接触的对照组也出现了10%的细胞死亡，这可能是由于长时间操作造成的。这些数据表明，注射过程中的膜渗透是主要的应力来源，而非结构本身。
在某些情况下，细胞能够保持正常活动，其中一个细胞成功分裂并将打印的结构传递给子细胞。共聚焦成像证实，包括细胞核在内的内部组件能够适应该结构，且不会损害它的完整性，表明细胞能够适应这些外来元素而不会立即受到干扰。
△打印结构对细胞活力的影响
细胞内3D打印技术的突破与应用前景
为了评估弯曲液滴可能造成的变形，研究团队采用了模拟和显微镜技术。激光焦点偏移限制在0.5微米，超过90%的液滴体积保持了小于400纳米的分辨率。扫描电子显微镜证实了结构保真度，打印特征尺寸小至260纳米，接近批量打印的分辨率。
研究人员通过创建由堆叠的4×4网格组成的3D条形码，展示了这些指纹在实际应用中的潜力。每个结构可容纳61位数据，足以唯一地标记人体中的每个细胞。这些预先设计的代码可在复杂的生物学研究中实现一致的标记和长期跟踪。
他们还在细胞内部打印了衍射光栅，当受到光照时，会产生独特的光散射图案。由于衍射轮廓取决于细胞结构的几何形状和方向，这些打印件可以实现细胞位置或旋转的远程光学读取。随后，研究团队通过打印高折射率、染料掺杂的光刻胶液滴，制作出微激光器。这些9微米的谐振腔在受激发时会发射激光，但毒性显著增强，80%的细胞在22小时内死亡或出现明显的应激反应。
△在活细胞内打印的应用前景
尽管目前的局限性包括材料毒性和注射造成的细胞损失，但这种方法开辟了充满希望的方向。可以设计结构与细胞器进行机械相互作用、改变细胞形状或分离细胞质的特定区域。研究团队可以探索生化途径、模拟疾病状况，或引入完全在细胞内部进行感知和信号处理的工具。
总的来说，这为细胞内传感、靶向药物释放和细胞行为追踪等多种应用提供了新的可能性。这项技术避免了颗粒吞噬的局限性，颗粒吞噬仅适用于某些细胞类型，并且通常会将物质困在囊泡内。通过直接在细胞质中构建，研究人员可以接触到更广泛的细胞，并更好地控制合成结构与原生生物相互作用的位置和方式。
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