近期，西湖大學(xué)仇旻教授課題組的一項研究為生物微納加工領(lǐng)域帶來了新的突破。研究人員化身“雕刻師”，用冰刻技術(shù)成功地為身長僅 0.5 毫米的水熊蟲進行“波點紋身”。

這些微納圖案是在水熊蟲隱生狀態(tài)下制備的，通過匹配冰層厚度和電子束能量，最大限度地減少了對水熊蟲的輻射損傷。值得關(guān)注的是，其復(fù)活后這些微納圖案依然保持穩(wěn)定。

該研究在多個領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力：

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)有群體細胞檢測方法難以獲取單細胞水平的信息，而該技術(shù)有望實現(xiàn)單個生物體的精確探測和干預(yù)；在器件制備方面，有望用于開發(fā)新型生物傳感器和藥物遞送裝置；在活體微型機器人研發(fā)中，該技術(shù)為實現(xiàn)生物載體與功能元件的納米級集成創(chuàng)造了可能性。

（來源：Nature）

近日，相關(guān)論文以《在活體水熊蟲上的圖案化加工》（Patterning on Living Tardigrades）為題發(fā)表在Nano Letters[1]，并登上該期刊的補充封面。

西湖大學(xué)博士研究生楊治蓉是第一作者，西湖大學(xué)講席教授仇旻和研究員趙鼎擔任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nano Letters）

傳統(tǒng)光刻技術(shù)需要非常光滑的襯底才能實現(xiàn)均勻的光刻膠覆蓋，并且加工環(huán)境要求嚴苛，這使得用其加工生物襯底面臨重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

為解決這一難題，仇旻課題組創(chuàng)新性地提出了冰刻技術(shù)——這是一種基于電子束加工的先進技術(shù)，其核心在于將傳統(tǒng)光刻中的抗蝕劑替換為冰作為載體。這種技術(shù)突破使得在表面脆弱或凹凸不平的材料上也能實現(xiàn)均勻覆蓋。

圖丨仇旻課題組（來源：課題組）

2020 年，研究人員成功搭建起一套自主研發(fā)的冰刻系統(tǒng)設(shè)備。在 2021 年底的一次組會中，課題組成員天馬行空地討論——在生物表面加工會創(chuàng)造怎樣的可能性？

接下來就是選擇哪種具體的生物，通過文獻和資料調(diào)研，研究人員將目光鎖定在著有“地表最強生物”之稱的水熊蟲。

楊治蓉向 DeepTech 解釋說道：“選擇水熊蟲主要基于兩方面考量：首先，真空、冷凍的實驗條件對大多數(shù)生物來說極其惡劣，而水熊蟲的抗逆性超強；其次，在正式實驗之前我們對它已進行相關(guān)實驗測試驗證了其生存的可行性。”

圖丨水熊蟲登上 Nano Letters 期刊補充封面（來源：Nano Letters

那么，冰刻“紋身”具體是怎樣實現(xiàn)的呢？

需要了解的是，整個過程是在一種低溫的、水熊蟲隱生狀態(tài)下進行的，這是一種能夠在極端環(huán)境下生存的狀態(tài)。

在該狀態(tài)下，它會緩慢排出身體中的水分，整個身體會縮成一團，因此在加工過程中它會保持這種相對固定的狀態(tài)。

實驗中，研究人員將水熊蟲放置在一種碳納米復(fù)合紙基底上，這種材料疏松多孔，兼具良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，不僅能夠有效支持水熊蟲進入隱生狀態(tài)，同時也為后續(xù)的加工提供了理想的條件。

整個實驗在自主設(shè)計的冰刻系統(tǒng)中進行，當襯底降溫到 130K 以下且整體溫度均勻后，通過控制閥引入水蒸氣，以在水熊蟲身體表面形成厚度可控的均勻冰薄膜。

隨后，研究人員可以立即在掃描電鏡下直接觀察，并選擇加工圖案的區(qū)域。“紋身”圖案不僅可在電腦上設(shè)計，還能自主設(shè)置電子束的能量、束流等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)直接影響加工結(jié)構(gòu)的厚度和機械強度等性質(zhì)。

圖丨用于在水熊蟲上進行圖案化的冰刻示意圖（來源：Nano Letters

“如果采用有機冰作為抗蝕劑，經(jīng)過電子束輻射的區(qū)域在常溫下會保持固態(tài)；而未受電子束輻射的冰層在升溫過程中自然升華，這樣就能在水熊蟲身上‘刻’成我們期望的結(jié)構(gòu)。”楊治蓉告訴 DeepTech。

基于該方法，研究人員成功在水熊蟲表面制造出了多種微納圖案，包括納米線陣列、微盤陣列、方陣以及定制的西湖大學(xué)校徽圖案等。實驗結(jié)果顯示，納米線的最小線寬可達 72 納米，且在水熊蟲經(jīng)過包括拉伸、溶劑浸泡、沖洗和干燥等一系列處理后仍然能夠保持穩(wěn)定。

實際上，雖然此前該團隊已經(jīng)對冰刻技術(shù)深入研究，但針對水熊蟲的研究尚屬首次。楊治蓉表示：“在實驗過程中，我們遇到了不少挑戰(zhàn)。由于之前沒有研究水熊蟲的經(jīng)驗，實驗結(jié)果有時不理想，只能一點點去推斷可能的原因。”

圖丨楊治蓉在山上挖苔蘚捉水熊蟲（來源：西湖大學(xué)）

在摸索實驗條件方面，研究人員也投入了大量時間和精力，并探索出用什么參數(shù)能讓水熊蟲更好地存活。此外，加工后的結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微鏡下很難看清，為了觀察結(jié)構(gòu)，需要再次固定水熊蟲，拿到電子顯微鏡下進行觀測。

“研究過程的每一步都需要去摸索經(jīng)驗，這不僅靠我們自己努力，也離不開學(xué)校各平臺老師們的幫助。”楊治蓉說。

目前，該團隊僅在水熊蟲成功冰刻“紋身”，未來他們希望通過增加額外的保護措施，把這項技術(shù)拓展到更多生物。

微納尺度的結(jié)構(gòu)會有很多獨特的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)，如果能在各種微小生物、組織、器官或者細胞上加工微納結(jié)構(gòu)，會有很多能發(fā)揮作用的空間。

從理論上來說，水熊蟲有可能在太空或火星等惡劣環(huán)境下存活。我們可以大膽想象：未來，在水熊蟲身上配置一種微型傳感器，然后把它放到火星上，以監(jiān)測火星環(huán)境。

正如《荀子·勸學(xué)》所言“君子性非異也, 善假于物也”，楊治蓉指出，借助生物本身的能力去開展科學(xué)探索將會非常有意義。未來，這項技術(shù)的發(fā)展還有更多想象的空間。

參考資料：

1.Zhirong Yang et al. Patterning on Living Tardigrades.Nano Letters2025, 25, 15, 6168–6175. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00378

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