用消費級3D打印機，打出納米級分辨率顯微鏡透鏡

近日據外媒報道，英國思克萊德大學的研究人員利用消費級3D打印機制造出用于超分辨率顯微鏡的高質量低成本光學透鏡。將其與商用透鏡的性能對比后，發現兩者表現相當。

3D打印高端光學器件的能力，將使更多獨立科學家和科研機構能夠接觸高分辨率顯微鏡及其他光學應用。這同時為科研與工業領域提供了一種開發完全定制化光學成像系統的低成本途徑。

在早期研究中，該團隊已使用消費級打印機成功制造出完全3D打印的顯微鏡。當前工作中，他們專注于設計和制造定制的3D打印六邊形（蜂窩狀）透鏡陣列，并將該光學元件集成至小型定制多焦點結構光照明顯微系統（mSIM），用于熒光成像。

為實現媲美商用透鏡的光滑光學表面，研究人員創建了硅膠模具，并用紫外線固化樹脂鑄造可3D打印的透鏡。為最大限度減少衍射帶來的不良影響，他們開發了一種方法來降低逐層打印工藝導致的光學散射。

研究團隊將自研的3D打印蜂窩陣列與兩款商用透鏡陣列（高端款透鏡單元直徑250μm，經濟款透鏡單元尺寸1mm×1.4mm）進行對比。通過量化光束輪廓均勻性和實驗橫向分辨率，研究人員評估了這些光學器件的成像性能，并采用定制mSIM裝置完成了基準測試。

研究團隊在mSIM系統中使用商業牛肺動脈內皮細胞樣本對微透鏡陣列進行了測試。使用激光掃描照明時，高端陣列將分辨率從237nm±12nm提升至151nm±12nm；而3D打印陣列在同等條件下將分辨率從232nm±18nm提升至151nm±12nm。

3D打印透鏡實現了約150nm的分辨率——這一精細度已超越大多數傳統光學顯微鏡系統的極限。“我們制造的光學元件能以非凡的細節水平呈現生命最小單元的結構，”研究員Jay Christopher表示，“這項技術為定制化成像系統開辟了新可能，并解鎖了傳統方法無法實現或需要昂貴玻璃制造服務的應用場景。”

3D打印光學元件的表面粗糙度達到30nm±2.5nm，優于商用玻璃光學器件的37nm±1.4nm。該研究通過證明定制化3D打印光學器件可實現超分辨率顯微成像，且其性能可與商用玻璃透鏡相媲美，使得許多無力承擔高端光學元件成本的機構與個人也能獲得高質量超分辨率成像技術。

“我們的新方法能讓科研機構和企業獲得過去因高昂成本而難以企及的專業技術工具，”Christopher指出，“通過使用經濟型3D打印機和材料，他們可自主制造所需元件來解決具體問題，從而開創獨特的研究與產品開發解決方案。”

研究團隊計劃進一步探索3D打印光學器件的新設計，包括三維多焦點結構與仿生成像系統。

“隨著消費級3D打印技術逐年趨向精密化，我們的研究目標已從驗證3D打印透鏡能否用于生物成像，拓展至探索其在最新前沿成像概念中的應用極限。”項目負責人Ralf Bauer表示。