3D 列印與磁性驅動：突破內視鏡的尺寸限制

傳統方法製造的可驅動內視鏡，整合了光學元件、致動器和機械結構，其微型化能力受限，整體外徑通常超過 1 毫米。這對其進入人體最細小的血管和狹窄腔室構成了挑戰。

在2025年，《自然》雜誌的姊妹期刊《通訊工程》發表了一項開創性的研究。今天我們將解析這篇研究報告。

這項由德國斯圖加特大學等機構合作的研究，提出並驗證了一種高度緊湊、可磁力驅動的3D列印內視鏡微系統。其核心在於結合了雙光子聚合3D列印技術與磁力驅動，能夠直接在成像光纖束的端面上，一步式整合製造出包含光學、機械和微流體結構的完整微系統。

這項新技術的工作模式可能難以理解，關鍵點首先在於「一體化整合製造」這個詞。傳統方法是將微透鏡、微彈簧和微磁鐵等微元件分別製造，然後在顯微鏡下像進行微型雕塑手術一樣將它們組裝起來——這個過程極其困難且容易出錯。相比之下，這項新技術實現了「一次列印，整體成型」：所有元件被列印成一個相互連接的整體，本質上是一個單元，從而完全消除了噩夢般的微組裝步驟。

消除了繁瑣的微組裝過程，透過3D列印一步式製造出複雜且精密的微光學系統。

系統整合了電磁微線圈，透過電流控制的磁場驅動微結構中嵌入的聚合物黏合磁鐵，從而實現光學元件的精確移動。

所有展示系統的整體直徑均成功控制在900微米（0.9毫米）以下，其中最緊湊的旋轉驅動系統直徑僅約660微米，實現了可驅動內視鏡裝置的顯著微型化。

研究團隊展示了三個功能各異的磁致動微系統，分別賦予內視鏡變焦、高畫質成像和全景視野的能力。

原理：微透鏡由三個螺旋彈簧支撐，並嵌入軸向磁化的聚合物磁鐵中。通電後，電磁線圈產生的磁場推動磁鐵和透鏡沿光軸移動。

功能：透鏡的前後移動改變焦距以實現變焦（實驗中獲得約1.3倍的變焦比），也可用於在不同物距下重新對焦，而無需移動整個內視鏡。

尺寸：微系統本身直徑為 500 微米，整合在 500 微米的 लाई光纖上，總直徑約為 810 微米。

原理：特殊設計的撓性鉸鏈（例如，四個平行葉片彈簧）可在磁場作用下，使微透鏡執行精確的側向平移。

功能：橫向移動會導致成像光路產生微小偏移，進而獲取同一物體的數張微小偏移影像。透過演算法融合這些影像，可以有效克服成像光纖束固有的「蜂窩狀」像素化問題，顯著提升影像解析度。實驗證明，重建的影像可以清晰地區分原本無法分辨的條紋。

尺寸：整體直徑也約為 810 微米。

原理：一個帶有偏心聚合物磁鐵的微棱鏡透過兩個扭力桿安裝。軸向磁場驅動磁鐵，使棱鏡繞其軸線旋轉（實驗中測得的旋轉角度約為 -6.9° 至 +9.0°）。

功能：棱鏡的旋轉改變了光路的傳播方向，從而翻譯和擴展了觀察到的視野。這使得臨床醫生無需移動內窺鏡本身即可觀察到側向區域，從而在狹窄空間中提高情境感知能力。

尺寸：系統列印在 350 微米的光纖上，整體系統的直徑僅約 660 微米，是三者中最緊湊的。

本研究標誌著可驅動內視鏡微型化的一大進步。透過結合尖端的微/奈米 3D 列印技術與巧妙的磁力驅動設計，為未來在心臟血管、神經系統及兒科應用等極度狹窄空間進行的超精準微創手術與診斷開闢了全新的技術途徑。當內視鏡的「眼睛」不僅能「看」，還能「變焦」、「環視」並看得更清楚時，微創醫學的界限將再次被拓展。

引用來源：

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. et al. 磁性驅動的 3D 列印內視鏡微系統。Commun Eng 4, 69 (2025)。https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8