Tüp bebek uygulamasında anne adayından toplanan yumurtalar ile baba adayından alınan spermlerin embriyoyu oluşturmak üzere laboratuvar ortamında, özel donanımlı mikroskopta (mikromanipülatör) 200-400 kat büyütme altında birleştirilmesi işlemine mikroenjeksiyon (ICSI = intra cytoplasmic sperm injection) denir.
Daha önce sperm sayısı ve hareketliliği yetersiz, morfolojisi bozuk olan spermlerin kendiliğinden yumurtayı döllemesi ya çok az ya da hiç olmamaktaydı. Mikroenjeksiyon işlemi şiddetli sperm faktörü olan hastalar için geliştirilmiş olup ilk kez 1992 yılında uygulanmaya başlanmıştır. ICSI işleminin uygulamaya konulması ile daha önceden gebeliğe ulaşma şansı olmayan ciddi erkek faktörüne bağlı infertilitesi olan aileler yüksek oranda gebeliğe ulaşma şansına kavuşmuşlardır. Menisinde sperm bulunmayan hastalardan ise testislerinden elde edilen spermler ile mikroenjeksiyon işlemi gerçekleştirilebilmektedir.
Mikroenjeksiyon sperm sayısının, hareketliliğinin yetersiz olduğu olgularda ve morfoloji bozukluğu olan hastalarda, azoospermi yani menisinde sperm bulunmayan hastalarda cerrahi (TESE, Mikro-TESE, TESA, PESA, MESA) yöntemlerle sperm elde edildiğinde, daha önce klasik tüp bebek ile döllenme gerçekleşmemiş çiftlerde ve embriyolarına genetik tanı uygulanacak olan hastalarda uygulanır. Fakat günümüzde pek çok merkezde tüp bebek işlemlerinde rutin olarak yumurtayı dölleme amacıyla ICSI işlemi uygulanmakta, klasik tüp bebek yapılmamaktadır. Bu şekildeki bir yaklaşım yüksek dölleme oranı sağlarken, hastaların yumurtalarına ya da bebeğin sağlığına kesinlikle herhangi bir zarar yaratmamaktadır. Böylelikle beklenmedik döllenme başarısızlığı riski ortadan kalkmaktadır.
Yumurta toplama işleminden yaklaşık 4 saat sonra yumurtaların etrafındaki hücreler temizlenir. Temizlenen yumurtaların olgunluk (maturasyon) kontrolu yapılır. Kutup cisimciğine (polar body) sahip yumurta olgun yumurtadır. Bu yumurtalar yumurta gelişim evresinin metafaz II aşamasında olduğundan MII olarak adlandırılır. Kutup cisimciği olmayan yumurta metafaz I aşamasındadır ve olgun değildirler, dölleme için kullanılamazlar ve MI olarak adlandırılırlar. Kutup cisimciği olmayan ve sitoplazmasında germinal vezikül (GV) olan yumurtalar da olgun değildir, GV oositler olarak adlandırılır. Anne adayından toplanan yumurtaların olgun çıkma oranı %70-80 civarındadır. Yumurta toplama işlemiyle eşzamanlı olarak baba adayından alınan semen örneği özel yıkama metoduyla yıkanarak semendeki istenmeyen maddeler uzaklaştırılır ve en iyi hareketli spermler elde edilir. Her bir yumurtanın içine 1 adet sperm hücresi, mikromanipülatör adı verilen cihazların kontrolündeki mikroskopik iğneler ile enjekte edilerek döllenme işlemi yapılır. Yani sperm çok ince cam pipetler ile yumurtanın içine (sitoplazmasına) enjekte edilir.
Tüm yumurtalara mikroenjeksiyon işlemi uygulanmasının ardından özel solusyonlar içerisine aktarılarak inkübatöre (embriyoların gelişimine olanak tanıyan, sabit bir ısı, nem, pH,O2, CO2 değerlerine sahip özel olarak tüp bebek laboratuvarı için imal edilmiş cihaz ) kaldırılır. Ertesi sabah ICSI işleminden sonra 16-20 nci saatler arasında yumurtaların döllenme kontrolleri yapılır. Tüp bebek uygulamalarında mikroenjeksiyon işleminde normal bir vakada (sperm sayısının ve hareketinin normal değerlere sahip, anne yaşının 35 in altında ve iyi yumurta kalitesine sahip çiftlerde) olgun yumurtaların döllenme (fertilizasyon) oranı %70-80 civarındadır.
