2026年1月20日，斯洛文尼亚顶尖科研机构约瑟夫·斯特凡研究所的研究人员利用双光子聚合技术直接在活细胞内部3D打印形状复杂的聚合物微结构，包括条形码、几何图案，甚至还有一头小象，为一类新的细胞内生物工程工具和应用奠定了基础。
相关研究以题为“Two-Photon 3D Printing ofFunctional Microstructures Inside Living Cells”的论文发表在《先进材料》杂志上。这项突破是将一种称为光刻胶的安全感光材料放入细胞中，然后使用特殊激光在细胞内形成具有非常精细细节的微小结构。
随着用于光刻技术的新型功能材料的快速发展，双光子聚合（TPP）技术可用于在活细胞内制造各种活性器件。利用不同的功能材料，通过4D
TPP打印技术可以制造出对各种外部刺激（例如光、温度、pH值、糖浓度和磁场）有响应的功能性微器件。这不仅可以实现新型传感模式，还可以在细胞内构建活性元件甚至微型机器人。此外，TPP技术还可以使用导电材料，甚至可以在生物体内进行。在活细胞内打印的导电微结构有望带来新的细胞内电生理学方法。通过使用纳米金刚石嵌入的光刻胶，甚至可以在细胞内实现量子传感。此外，在细胞内打印具有可控尺寸、形状和位置的载药结构，可以实现时空可控的细胞内药物释放。
△细胞内3D打印流程示意图
△含有打印结构的细胞的存活率
感光材料材料采用Nanoscribe双光子聚合系统进行聚合。通过高速逐层扫描材料，研究团队得以构建坚固的微结构，同时保持周围细胞环境的完整性。用这种方法处理的细胞不仅在其内部含有新制造的结构，而且还能继续存活和分裂，并将其传递给其中一个子细胞。
△打印质量分析
△应用示范
虽然这项研究还处于初步阶段，但它可以作为在细胞内打印微型机器或装置的基础，从而提供有关生物功能的更多信息，或赋予细胞增强或全新的特性。
来自约瑟夫·斯特凡研究所的共同作者玛鲁莎·穆尔说：“我们的方法提供了一种从内部操纵活细胞的新工具，从而为研究它们的机械和生物反应提供了一种新方法。”
当然，细胞内打印结构的应用前景十分广阔，远不止本文所展示的。尤其令人感兴趣的是打印功能性结构的潜力，这将使细胞特性发生前所未有的改变，这是目前传统生物工程工具无法企及的。例如，在细胞内打印微杠杆、弹簧、笼状结构和屏障等结构，可用于对细胞内成分施加可控的机械力，引入手性，并改变细胞形状和力学性质。这种改造后的细胞有助于研究细胞力学、细胞分裂、力学转导以及体外培养和组织中细胞的机械诱导分化。研究人员已经观察到带有打印结构的细胞表现出不同的行为，这为可控地改变细胞表型开辟了道路。
细胞内3D打印技术能够以前所未有的精度控制细胞内部结构，从而将合成结构与天然生物功能整合起来。该平台可以重构细胞结构，将逻辑或机械组件嵌入细胞质中，并设计具有增强或全新特性的细胞。这些进展可能对合成生物学、细胞内传感以及细胞结构和功能的基础研究产生深远影响。
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