科学家实现活体细胞内3D打印微结构技术突破

研究团队证明，可以在活体人类细胞内直接制造定制的聚合物微结构。

人类细胞极其微小且结构紧密——直径约为20微米，大约只有人类头发宽度的五分之一。每个细胞内部都密集地填充着蛋白质、细胞器和分子机器。能够在这个空间内放置微小的结构，将使科学家能够长期追踪细胞、测量化学变化或研究细胞如何响应物理力。

但实现这一点一直很困难。大多数细胞无法摄入大于约1微米的固体物体。免疫细胞可以吞噬外来物质，但这会将其困在膜包裹的隔室内，而不是释放到细胞质中，使其无法自由地与细胞内部相互作用。

其他方法，如显微注射或暂时打开细胞膜，在递送分子方面效果良好，但尚未被用于将坚固的独立结构直接放置在细胞内部。

在活细胞内构建功能性结构

然而，在活细胞内打印结构带来了一系列独特的限制。激光和打印材料必须在比所造物体更小的空间中工作，同时必须避免毒性效应并保护细胞内部结构。

斯洛文尼亚的研究人员现已证明这是可以实现的。在发表于《先进材料》期刊的一项研究中，该团队展示，可以使用一种基于激光的方法——双光子聚合技术——直接在活的人类细胞内部制造定制的聚合物微结构。这一结果为在细胞内构建功能性结构开辟了新途径，有效地将细胞内部变成了精确生物制造的场所。

该过程首先需要将打印材料放入细胞内。研究人员使用超细玻璃针，将微小的商用光刻胶（称为IP-S）液滴注射到常见的人类细胞系——海拉细胞中。据报道，所选材料经过精心挑选，以确保与活细胞兼容，硬化后无毒，并且如果未完全固化则可溶解。

注射后，每个直径约10至15微米的液滴，通过一台高精度显微镜暴露在超快激光下。激光仅在其焦点处触发聚合反应，从而实现在细胞内部进行精确的三维塑形。通过高速逐层扫描材料中的焦点，团队能够构建出坚固的微结构，同时保持周围的细胞环境完好无损。

细胞适应其内部打印的结构

为演示该方法，团队打印了一系列微小形状，包括一只10微米大的大象、实验室徽标、空心球体和网格状结构。成像证实，这些物体位于细胞膜内，细胞核明显改变了形状以便为打印出的材料腾出空间。

这对细胞存活率的影响与其他侵入性技术相当。24小时后，含有打印结构的细胞中约55%不再存活，这与仅穿刺细胞膜而不打印时观察到的约50%死亡率相似。

保留了打印结构的细胞通常行为正常。它们保持典型形态并继续分裂，延时成像显示打印出的物体在有丝分裂期间被传递给子细胞。然而，较大的结构产生了可测量的影响：大于5微米的物体使细胞分裂延迟至少一个小时，这表明细胞内的异物会微妙地改变其行为。

目前，该方法依赖于对单个细胞进行注射，限制了其大规模应用，不过更好的材料和递送技术可能会提高可扩展性。即便如此，在细胞质中打印出坚固、形状精确的物体这一能力，开辟了新的可能性——从施加可控的机械力，到实现局部传感或药物释放。

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