可重复使用3D打印细胞离心漏斗的研制与技术评价：扩大细胞离心甩片生成面积

《BMC Research Notes》：Development and technical evaluation of a reusable 3D-printed cytospin funnel for enlarged cytospin generation

　　

目的：将细胞固定于显微镜载玻片上是用以评估多种生物样本细胞形态学的标准技术。细胞漏斗（cytofunnel，细胞离心时引导细胞至载玻片的漏斗状部件）用于细胞离心机（cytocentrifuge）中，将细胞引导至玻璃载玻片上并生成“细胞离心甩片”（cytospin，指经细胞离心使细胞沉积于载玻片形成的细胞涂片）。商用细胞漏斗设计固定，细胞离心甩片面积有限，且多为一次性使用并成本高昂。本研究目标是设计并制造一种3D打印定制细胞漏斗，其具有成本效益、可重复使用并能生成更大细胞离心甩片面积。研究人员采用迭代设计流程，使用计算机辅助设计（CAD）软件以及立体光刻（SLA）打印和生物相容性树脂。漏斗原型使用两份独立人胸腔积液（pleural effusion）标本进行技术评估，并通过反复暴露于两种常用消毒剂进行评估。结果：3D打印细胞离心甩片漏斗具有较大出口直径，使细胞离心甩片面积增加约三倍，总制造时间为24 h。所提出的可重复使用漏斗设计在测试条件下实现了扩大的细胞离心甩片面积和增加的实际细胞负载容量，并可能支持未来数字细胞学（digital cytology）和高通量分析工作流程。已发布的STL文件可为实验室，尤其是资源有限环境中的实验室，提供一种可及、可持续的替代方案，并可作为进一步定制的基础。

论文主体解读

研究背景：细胞病理学检查的标准程序之一是在显微镜载玻片上评估（积液）液体中的细胞内容物，即细胞离心甩片（cytospin，经细胞离心使细胞沉积于载玻片形成的细胞涂片）。制备时需使用细胞离心机（cytocentrifuge）和细胞漏斗（cytofunnel，引导细胞至载玻片的漏斗状部件），通过离心力将材料固定到载玻片。商用细胞漏斗通常一次性使用，造成高成本和塑料废弃物；出口直径有限，仅小部分材料可用。过去人类细胞病理学家资源是后续分析限制因素，该问题不突出；近年数字病理学（digital pathology）和基于计算机视觉（computer vision）的图像分析使载玻片上大量细胞自动化评估日益可行，因此更大细胞离心甩片面积和更高细胞负载容量可能支持下端细胞学评估和数字分析工作流程。立体光刻（SLA）加性制造进步已用于3D打印牙科和血管假体。本研究旨在开发并技术评估可重复使用、定制3D打印细胞漏斗，与常规细胞离心机系统兼容，并能生成更大细胞离心甩片面积。

方法：关键要求为兼容标准细胞离心机、扩大甩片面积、提高上样容量、化学消毒后可重复使用。开发采用迭代原型流程。最大底座尺寸和高度受离心机标准金属夹（Edelstahlclip für Zelltrichter, Tharmac? GmbH）限制，离心机为Thermo Shandon Cytospin 4（Thermo Fisher Scientific）。使用CAD（Inventor Professional Pro 2023, Autodesk Inc.）设计；SLA打印机（Form 3B, Formlabs Inc.）和刚性生物医学树脂（Surgical Guide v1, Formlabs Inc.）制造。后处理去除支撑结构，99,0% Iso-2-propanol清洗20 min，室温干燥12 h，60 °C固化30 min（Form Cure, Formlabs Inc.）。原型用两份独立人胸腔积液（pleural effusion）标本评估；每个原型进行3至5次细胞离心甩片，细胞浓度20,000至800,000；商用与3D打印漏斗在相同条件（550 rpm，10 min）下比较，唯一变量为加载体积。甩片面积按圆面积公式（A=πr²）计算；通过递增细胞数确定仍分布充分且无明显重叠/聚集的最高细胞数，估计实际上样容量；通过反复暴露于两种消毒剂（Korsolex? Extra, Bode Chemie GmbH, Hamburg, Germany；Sekusept? aktiv, Ecolab Deutschland GmbH, Monheim am Rhein, Germany）并肉眼检查评估可重复使用性。因探索性和概念验证性质，未做正式统计分析。

关键技术方法：迭代CAD设计；SLA 3D打印生物相容性树脂；后处理清洗、干燥、固化；两份人胸腔积液标本，每个原型3至5次细胞离心甩片，细胞浓度20,000至800,000；与商用双漏斗同条件550 rpm、10 min比较；圆面积公式计算甩片面积；反复暴露两种消毒剂评估可重复使用性。

研究结果（原文未设小标题）：迭代设计制造3代原型，最终原型含两个出口轻微偏移的漏斗。3D打印漏斗最大填充体积450 μl，常规双漏斗250 μl；出口直径9 mm对5 mm。迭代设计实现标准金属夹内精确配合，确保足够压力和细胞材料转移。代表性实验显示每个出口单层面积约64 mm²，常规双漏斗约20 mm²。测试条件下3D打印漏斗实际细胞上样容量约400,000至800,000个细胞，常规约100,000至200,000个，同时维持充分分布单层且无过度重叠或聚集。可重复使用3D打印漏斗制造成本约4.7 USD，商用一次性双漏斗为2.8–4.1 USD。测试消毒剂和液体介质暴露未导致可观察宏观变形或相关功能损伤。单原型总生产时间约24 h，其中主动SLA打印约3.5 h。

讨论与结论：细胞离心是标准技术。商用漏斗上样体积有限且一次性，导致耗材成本高、甩片面积受限。本技术概念验证研究开发并评估了与标准系统兼容的定制可重复使用3D打印细胞漏斗，设计较常规双漏斗系统显著扩大甩片面积，同时保持与常规实验室流程兼容。迭代流程使多个原型制造和设计调整；初始单纯放大标准双漏斗导致开口过大和离心时液体大量损失；第一代原型因接触压力不足无法与标准金属夹配合，故调整出口直径和模型壁厚。最终设计的漏斗开口和较大出口直径允许更大填充体积和更大甩片尺寸，可能有利于检测低细胞性标本中的稀有靶细胞如恶性细胞；数字病理学和计算机视觉方法可能进一步受益于更大甩片面积和增加细胞分布，可能促进自动化高通量分析。研究人员认为，随文发布、适合3D打印的STL文件可能提高实验室和临床成本效益与可持续性，尤其在资源有限环境，并可作为进一步适应特定实验室需求的基础；STL文件通过机构3D实验室网站免费获取。局限性：结果为探索性技术测试和迭代原型，而非正式受控比较；评估限于两份独立人胸腔积液样本及每个原型3至5次程序，限制普遍性；诊断灵敏度、细胞完整性和长期材料稳定性的系统定量评估尚未进行，需更大和更多样样本集进一步研究。

研究结论部分翻译：所提出的可重复使用漏斗设计在测试条件下实现了扩大的细胞离心甩片面积和增加的实际细胞负载容量，并可能支持未来数字细胞学（digital cytology）和高通量分析工作流程。已发布的STL文件可为实验室，尤其是资源有限环境中的实验室，提供一种可及、可持续的替代方案，并可作为进一步定制的基础。研究人员认为，适合3D打印的STL文件可能使实验室和临床具有更高成本效益和可持续性，并可能作为进一步适应特定实验室需求的基础。