首届Nature女性科技奖得主利用双光子3D打印镜中镜攻克血管成像难题

TECHNOLOGY

全球首届"Women in Technology Award"（Nature女性科技奖）由Sony与Nature联合设立，面向早期和中期职业阶段的女性研究者，旨在表彰那些在技术创新领域作出卓越贡献、引领未来发展方向的杰出女性科学家。近日，在首届评选中，阿德莱德大学的李佳纹博士凭借其基于Nanoscribe双光子光刻设备在3D打印微型内窥镜领域的开创性突破，从众多候选人中脱颖而出，获得评委会特别表彰（Judge's Commendation）。

“作为人类，我们不仅仅通过眼睛感知世界，还通过耳朵、鼻子、舌头和皮肤，所以我希望制造能做更多事情的内窥镜，不仅仅是看到我们的身体内部，”李博士表示。李佳纹博士和她的团队将声学技术与光纤技术结合，制成了单根头发丝粗细的导管，首次实现了在冠状动脉内的成像。她的这一突破能够实时获取光学和超声影像，帮助决定支架的最佳位置。心脏病专家可用它来检查血管，以确定患者心脏病发作的风险。这一发明还可用于疾病预防和个性化治疗。

多模态微内镜能够在活体内实现共定位的结构和分子测量，从而为与疾病相关的病理变化提供有价值的见解。然而，不同的光学成像方式通常对镜头设计有冲突的光学需求。例如，高数值孔径（NA）镜头对于实现高灵敏度的荧光测量是必要的。相反，光学相干断层扫描（OCT）则要求低数值孔径以实现较大的聚焦深度。这些相互竞争的需求在设计和制造能够同时支持高质量多模态成像的微型成像探头时，构成了一个重大挑战。

李博士及其团队利用Nanoscribe双光子3D打印技术制造了一个微型镜头，该镜头同时针对这些冲突的成像模式进行了优化。该独特的"镜中镜"（lens-in-lens）设计理念包含不同但相互连接的光学表面，分别满足荧光成像和OCT成像的需求，且镜头直径仅为330微米。与更传统的光纤光学设计方法相比，该设计在荧光灵敏度上提高了超过10倍。接着，这种“镜中镜"设计被集成到一个直径为520微米的血管内导管探头中，首次报告了在活体小鼠动脉内进行的血管内OCT和荧光成像的同时进行。

如下图所示，这种设计堪称光学系统的"一体两面"：

外层透镜采用高数值孔径（NA=0.8）设计，专门用于提升荧光检测的灵敏度；内层透镜则采用低数值孔径（NA=0.08）设计，确保OCT成像能够达到理想的观察深度。

如下图所示，研究团队对比了包括传统凸透镜、菲涅尔透镜、衍射光学元件（DOE）和金属透镜在内的多种可能方案，最终选择了基于双光子3D打印的全内反射（TIR）透镜设计。图B展示了最终设计的透镜结构，包括四个不同的功能区域：三个外部区域（用粉色、黄色和青色标识）用于荧光信号收集，中心区域（红色）则用于荧光激发和OCT成像。

双光子3D打印技术之所以能够实现如此精密的光学器件制造，关键在于其独特的工艺特点。该技术利用光子的非线性吸收效应，能够在光敏树脂材料中实现三维空间的精确曝光。