用消费级3D打印机，打出纳米级分辨率显微镜透镜

近日据外媒报道，英国思克莱德大学的研究人员利用消费级3D打印机制造出用于超分辨率显微镜的高质量低成本光学透镜。将其与商用透镜的性能对比后，发现两者表现相当。

3D打印高端光学器件的能力，将使更多独立科学家和科研机构能够接触高分辨率显微镜及其他光学应用。这同时为科研与工业领域提供了一种开发完全定制化光学成像系统的低成本途径。

在早期研究中，该团队已使用消费级打印机成功制造出完全3D打印的显微镜。当前工作中，他们专注于设计和制造定制的3D打印六边形（蜂窝状）透镜阵列，并将该光学元件集成至小型定制多焦点结构光照明显微系统（mSIM），用于荧光成像。

为实现媲美商用透镜的光滑光学表面，研究人员创建了硅胶模具，并用紫外线固化树脂铸造可3D打印的透镜。为最大限度减少衍射带来的不良影响，他们开发了一种方法来降低逐层打印工艺导致的光学散射。

研究团队将自研的3D打印蜂窝阵列与两款商用透镜阵列（高端款透镜单元直径250μm，经济款透镜单元尺寸1mm×1.4mm）进行对比。通过量化光束轮廓均匀性和实验横向分辨率，研究人员评估了这些光学器件的成像性能，并采用定制mSIM装置完成了基准测试。

研究团队在mSIM系统中使用商业牛肺动脉内皮细胞样本对微透镜阵列进行了测试。使用激光扫描照明时，高端阵列将分辨率从237nm±12nm提升至151nm±12nm；而3D打印阵列在同等条件下将分辨率从232nm±18nm提升至151nm±12nm。

3D打印透镜实现了约150nm的分辨率——这一精细度已超越大多数传统光学显微镜系统的极限。“我们制造的光学元件能以非凡的细节水平呈现生命最小单元的结构，”研究员Jay Christopher表示，“这项技术为定制化成像系统开辟了新可能，并解锁了传统方法无法实现或需要昂贵玻璃制造服务的应用场景。”

3D打印光学元件的表面粗糙度达到30nm±2.5nm，优于商用玻璃光学器件的37nm±1.4nm。该研究通过证明定制化3D打印光学器件可实现超分辨率显微成像，且其性能可与商用玻璃透镜相媲美，使得许多无力承担高端光学元件成本的机构与个人也能获得高质量超分辨率成像技术。

“我们的新方法能让科研机构和企业获得过去因高昂成本而难以企及的专业技术工具，”Christopher指出，“通过使用经济型3D打印机和材料，他们可自主制造所需元件来解决具体问题，从而开创独特的研究与产品开发解决方案。”

研究团队计划进一步探索3D打印光学器件的新设计，包括三维多焦点结构与仿生成像系统。

“随着消费级3D打印技术逐年趋向精密化，我们的研究目标已从验证3D打印透镜能否用于生物成像，拓展至探索其在最新前沿成像概念中的应用极限。”项目负责人Ralf Bauer表示。