韩国延世大学研究团队开发出一种低成本3D打印微柱阵列平台，用于高通量DNA寡核苷酸合成。该技术基于LCD光固化成型工艺，在约2.5小时内即可制备包含1000个微柱的阵列结构，单个基底材料成本约0.12美元。装置结合平面合成阵列与柱式合成优势，可在保持高密度布局的同时实现皮摩尔级DNA产量，显著提升合成规模与效率。研究成果发表于Scientific Reports，为合成生物学、基因组学及DNA数据存储等领域提供新型低成本解决方案。
韩国首尔延世大学的研究人员开发出一种3D打印微柱阵列，旨在在保持高密度合成布局的同时，为每个特征位点产生亚纳摩尔级数量的DNA。该研究发表在Scientific Reports（Nature Portfolio旗下期刊）上，文章介绍了一种采用基于LCD的槽式光聚合（vat photopolymerization）工艺制造的基底，该结构结合了平面寡核苷酸阵列与柱式DNA合成的特征。每个器件的制造时间约为2.5小时，材料成本估计约为0.12美元。
寡核苷酸文库在合成生物学、基因组学以及DNA数据存储等应用中发挥着支撑作用。平面合成平台能够同时生成大量不同序列，但由于反应发生在反应体积有限的平面表面上，每个特征位点通常仅能产生飞摩尔级数量。采用受控孔径玻璃（CPG）微珠的柱式合成系统在三维反应环境中运行，每条序列可生成纳摩尔级或微摩尔级产量，但可并行进行的反应数量要少得多。首尔这支化学团队的工作通过在致密打印阵列中布置填充微珠的微柱结构，将这两种方法加以整合。
一种微柱阵列结合了柱式大体积与高密度寡核苷酸合成的优势。图像来自PubMed Central。
每个基底包含以网格形式排列的柱体，柱体之间间隔数百微米。顶部的方形开口用于装填CPG微珠，而底部的狭缝则在允许试剂流动的同时防止微珠流失。体相试剂在阵列表面铺展，并通过真空抽吸被引导穿过各个微柱。序列特异性的磷酰胺单体通过喷墨沉积系统按照既定合成序列进行输送。围绕孔井的疏水表面与微柱内部的亲水CPG微珠形成对比，这种设计有助于促使液滴进入微柱内部，而不是在基底表面扩散，从而降低相邻合成位点之间发生溢流的风险。
器件制造采用了由Phrozen生产的Sonic Mini 8K LCD打印机，该公司是一家桌面立体光刻系统制造商。研究人员筛选了八种商用光聚合树脂，以评估其对寡核苷酸合成过程中所用试剂（包括二氯乙酸、乙腈、氧化剂、碳酸丙烯酯以及水合氨）的化学耐受性。测试样品在上述试剂中浸泡24小时。部分材料在测试过程中出现膨胀、开裂或结构变形。三种树脂在暴露后重量变化小于2%。其中一种名为Deep Blue的配方表现出最稳定的性能，最终被选用于制造。
树脂对寡核苷酸合成试剂耐受性的筛选结果。图像来自PubMed Central。
在选定材料之后，研究人员优化了打印参数，以形成能够固定直径约70至150微米CPG微珠的开口结构。为限制曝光过程中因光散射引起的过度聚合，在树脂中加入了Sudan Orange G作为紫外吸收剂。通过降低紫外光强度、将层厚设定为50微米并调节曝光时间，以实现稳定的微孔结构形成。研究团队还用光滑的黑色玻璃成型板替换了树脂打印机中通常使用的带纹理金属成型板，从而减少反射光对首层打印产生的过度固化影响。
上述调整使得能够稳定制造出矩形微孔结构，这些结构既能保留CPG微珠，又允许试剂流动。每个完成的基底尺寸约为25×33毫米，包含1000个间距为550微米的微柱。这种布局在每平方厘米内可容纳约324个柱体。打印过程约需30分钟，随后进行两小时的后固化阶段，并且可以同时生产多个基底。
用于微尺度孔结构3D打印的紫外曝光时间优化。图像来自PubMed Central。
研究人员利用该团队此前开发的基于喷墨的磷酰胺DNA合成系统评估了合成性能。装填CPG微珠的柱体经历多轮试剂输送循环，以合成一个15碱基的poly(dT)寡核苷酸。尿素-PAGE分析证实形成了预期的全长产物，同时也检测到由于偶联反应不完全而产生的较短序列。图像分析显示，全长产物约占总信号的60.7%，对应的逐步偶联效率估计约为96.23%。
从阵列中回收的DNA总量约为705,513纳克。假设整个器件上的合成均匀分布，则相当于每个柱体约产生155皮摩尔DNA。在保持高密度特征布局的同时，这一产量规模较平面合成阵列典型的飞摩尔级产量高出数个数量级。
用于基底功能评估的DNA合成结果。图像来自PubMed Central。
仍有一些限制因素有待进一步研究。当前的偶联效率仍低于商业DNA合成仪常见的每步超过99%的水平。研究人员指出，试剂流动、冲洗不充分或定制合成系统内部结构限制等因素可能会影响性能。未来工作可利用下一代测序技术绘制各个微柱之间的合成差异，并验证整个阵列在空间上的均一性。
延世大学研究团队的这项工作提供了概念验证，证明槽式光聚合3D打印技术能够利用广泛可获得的硬件设备制造适用于生物化学合成的微反应器阵列。类似的基于微珠的反应体系，如RNA或多肽合成，也有可能在同样的微柱架构中运行，只需使用不同功能化载体材料即可。
该研究题为《利用3D打印制造用于高通量寡核苷酸合成的微柱阵列》，由延世大学化学系的Haeun Kim、Junhyeong Kim和Duhee Bang完成，Bang担任通讯作者。
