3D打印与磁驱动：突破内窥镜的尺寸限制

传统方法制造的可驱动内窥镜，集成了光学元件、执行器和机械结构，其微型化能力受到限制，整体外径通常超过1毫米。这对其进入人体最细小的血管和狭窄腔隙构成了挑战。

2025年，《自然》杂志姊妹期刊《通信工程》发表的一项研究取得了突破性进展。今天，我们将解读这项研究报告。

这项由德国斯图加特大学等机构合作的研究提出了并验证了一种高度紧凑、可磁驱动的3D打印内窥镜微系统。其核心在于结合了双光子聚合3D打印技术和磁驱动，从而能够一步式集成制造出具有光学、机械和微流控结构的完整微系统，直接在成像光纤束的端面上。

这项新技术的工作模式可能难以理解，关键点首先在于“一步集成制造”这个短语。传统方法涉及分别制造微透镜、微弹簧和微磁铁等微组件，然后在显微镜下进行组装，就像进行微型雕塑手术一样——这个过程极其困难且容易出错。相比之下，这项新技术实现了“一次打印，整体成型”：所有组件被打印成一个相互连接的整体，本身就是一个单元，从而完全消除了噩梦般的微组装步骤。

消除了繁琐的微组装过程，通过3D打印一步式制造出复杂且精确的微光学系统。

系统集成了电磁微线圈，通过电流控制的磁场驱动微结构中嵌入的聚合物粘结磁体，从而实现光学元件的精确移动。

所有演示系统的总直径均成功控制在900微米（0.9毫米）以下，其中最紧凑的旋转驱动系统直径仅约660微米，实现了驱动式内窥镜设备的显著微型化。

研究团队展示了三个具有不同功能的磁驱动微系统，分别赋予内窥镜变焦、高清成像和全景视图的能力。

原理：微透镜由三个螺旋弹簧支撑，并嵌入轴向磁化的聚合物磁体中。通电时，电磁线圈产生的磁场推动磁体和透镜沿光轴移动。

功能：透镜的前后移动改变了焦距，从而实现了变焦（实验中获得了约1.3倍的变焦比），并且可以在不移动整个内窥镜的情况下，对不同物体距离进行重新聚焦。

尺寸：微系统本身直径为500微米，集成在500微米的 the optical fiber 上，总直径约为810微米。

原理：特殊设计的柔性铰链（例如，四个平行的悬臂梁）允许微透镜在磁场作用下执行精确的横向平移。

功能：横向移动会引起成像光路发生微小偏移，从而获得同一物体多个微小偏移的图像。通过算法对这些图像进行融合，可以有效克服成像光纤束固有的“蜂窝状”像素化问题，显著提高图像分辨率。实验证明，重建后的图像能够清晰区分原本无法分辨的条纹。

尺寸：整体直径也约为810微米。

原理：一个带有偏心聚合物磁体的微棱镜通过两个扭转杆安装。轴向磁场驱动磁体，使棱镜绕其轴旋转（实验测量了约 -6.9° 至 +9.0° 的旋转角度）。

功能：棱镜的旋转改变了光路的传播方向，从而平移并扩展了观察到的视场。这使得临床医生无需移动内窥镜本身即可观察侧面区域，从而增强了在狭窄空间中的态势感知能力。

尺寸：打印在 350 微米的光纤上，整个系统的直径仅约 660 微米，是三者中最紧凑的。

这项研究标志着可驱动内窥镜小型化方面迈出了重要一步。通过结合尖端的微/纳米3D打印技术和巧妙的磁驱动设计，它为未来在心脏血管、神经系统和儿科应用等极端狭窄空间内的超精密微创手术和诊断开辟了一条全新的技术路径。当内窥镜的“眼睛”不仅能“看”，还能“变焦”、“环顾四周”并看得更清楚时，微创医学的边界将再次拓宽。

引用来源：

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. et al. 磁驱动可控3D打印内窥镜微系统. Commun Eng 4, 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8