2026年2月27日，韩国延世大学的研究团队利用LCD光固化3D打印技术，成功制造出一种微柱阵列芯片，能在每个微柱上实现亚纳摩尔级精度的DNA合成。这项技术结合了平面阵列与柱式合成的优势，不仅打印精度高，而且成本极低——每个芯片制造仅需2.5小时，材料费仅0.12美元。这个方法为高密度DNA合成提供了一种更经济、更快捷的3D打印新思路。
3D打印与柱式DNA合成结合
该寡核苷酸文库可应用于合成生物学、基因组学和DNA数据存储等领域。传统的平面合成平台虽能同时生成大量序列，但由于反应发生在体积有限的平面上，每个特征位点通常仅能生成飞摩尔级的产物。而采用可控孔径玻璃（CPG）微珠的柱式合成系统则在三维反应环境中运行，每个序列可生成纳摩尔甚至微摩尔级的产物，但并行反应能力十分有限。研究团队的工作成功整合了这两种方法的优势，将填充微珠的微柱排列于高密度印刷阵列中。△相关研究已发表在Nature子刊《Scientific Reports》，研究题目为“利用3D打印技术制备用于高通量寡核苷酸合成的微柱阵列”（传送门）
每个基底包含排列成网格状的微柱，微柱间距为数百微米。顶部方形开口用于插入CPG微珠，底部狭窄缝隙可防止微珠逸出，同时允许试剂流动。大量试剂扩散到阵列表面，并通过真空抽吸被吸入微柱。序列特异性亚磷酰胺根据合成顺序通过喷墨沉积系统进行输送。微孔周围的疏水表面与微柱内部的亲水性CPG微珠形成对比，促使液滴进入微柱而不是扩散到基底上，从而降低了相邻合成位点之间溢出的风险。
制造过程采用了Phrozen公司生产的Sonic Mini 8K
LCD桌面立体光刻打印机。研究人员筛选了八种商用光敏聚合物树脂，评估寡核苷酸合成中所用试剂（包括二氯乙酸、乙腈、氧化剂、碳酸丙烯酯和氨水）的耐化学性。测试样品在试剂中浸泡24小时后，部分材料出现溶胀、开裂或结构变形，而三种树脂的重量变化小于2%。其中，一款名为Deep
Blue的树脂配方表现出最佳的稳定性，最终被选用于芯片制造。
高效的DNA合成与实验验证
选定材料后，研究人员优化了打印参数，以形成能够容纳直径约为70至150微米CPG微珠的开口。在树脂中添加苏丹橙G作为紫外线吸收剂，以限制曝光过程中光散射导致的过度聚合。通过降低紫外线强度、将层厚设置为50微米以及调整曝光时间，研究人员调整了打印条件，以实现稳定的微孔形成。光滑的黑色玻璃打印平台取代了树脂打印机中常用的图案化金属板，从而减少了之前导致初始打印层过度固化的反射光。
这些调整使得能够稳定地制备出可容纳CPG微珠并允许试剂流动的矩形微孔。每个成品基板尺寸约为25×33毫米，包含1000个间距为550微米的微柱。这种布局使得每平方厘米内大约可以容纳324个微柱。打印过程大约需要30分钟，之后需要2小时的后固化步骤，并且可以同时生产多个基板。
研究人员使用本课题组先前开发的基于喷墨技术的亚磷酰胺DNA合成系统评估了合成性能。装载CPG磁珠的色谱柱经过反复的试剂输送循环，合成了15个碱基的poly(dT)寡核苷酸。尿素-PAGE分析证实了预期全长产物的形成，以及由于偶联反应不完全而产生的较短序列。图像分析表明，全长产物约占信号的60.7%，对应的逐步偶联效率估计约为96.23%。
从阵列中回收的总DNA量约为705,513纳克。假设整个装置上的合成均匀，则每列的DNA量约为155皮摩尔。这种规模的输出比平面合成阵列典型的飞摩尔级产量高出几个数量级，同时保持了高密度的结构布局。
持续优化与未来展望
尽管这项技术取得了显著进展，但研究人员也指出，当前的偶联效率仍低于商业DNA合成仪的标准（通常超过99%）。未来的研究将集中在优化试剂流动、改善洗涤效果和定制化合成系统的性能。同时，利用新一代测序技术，研究人员计划绘制微柱阵列中的合成变异图，以验证合成过程的空间均匀性。
延世大学的这一研究成果不仅为DNA合成领域带来了新的可能，也为其它生化合成反应提供了灵感，未来或许可以将RNA或肽的合成反应引入类似的微柱结构中，进一步推动生物合成和数据存储技术的创新发展。
来源：南极熊
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