登上Nature封面：我國(guó)學(xué)者開發(fā)3D光纖微鑷，填補(bǔ)領(lǐng)域空白，實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞操控

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

從組裝微型器件到探測(cè)單個(gè)細(xì)胞，能夠在微米尺度上操控物質(zhì)的能力，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和微工程領(lǐng)域都至關(guān)重要。然而，一直以來，研究人員都面臨一個(gè)難以抉擇的權(quán)衡——光鑷?yán)霉馐倏匚矬w，精度極高，但所能施加的力非常有限；而機(jī)械微鑷雖然能施加更強(qiáng)的力，但卻缺乏精細(xì)度，且難以微型化。

近日，安徽大學(xué)/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳東教授，香港中文大學(xué)張立教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡衍雷教授、汪超煒教授及合肥工業(yè)大學(xué)張晨初副研究員作為共同通訊作者（安徽大學(xué)潘登博士為論文第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation 的研究論文，該論文還被選為期刊封面論文，這也是安徽大學(xué)的首篇Nature論文。

該研究提出了面向纖基集成器件的飛秒激光復(fù)合制造方法，在商用光纖端部構(gòu)建了一種三維光纖微鑷（3D OFG），實(shí)現(xiàn)了微米尺度目標(biāo)的高精度、低損傷與可編程三維操控，展示了抓取單個(gè)細(xì)胞、組裝微型齒輪，以及深入膽管進(jìn)行活檢取樣等應(yīng)用，為我們打開了一扇通往微觀世界精密操控的大門。

操控微米級(jí)物體并非易事。光鑷?yán)酶叨染劢沟墓馐苿?dòng)物體，雖然精度極高，但施加的力非常微弱。而機(jī)械鑷子依靠更傳統(tǒng)的手段夾持和移動(dòng)物體，雖能施加更大的力，卻缺乏光鑷的精確性。在這項(xiàng)新研究中，吳東團(tuán)隊(duì)等展示了一種結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的三維光纖微鑷，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種僅寬 38 微米的機(jī)械微鉗，并通過光進(jìn)行控制。一根光纖將激光傳遞至連接在剛性聚合物鉗上的熱敏水凝膠，當(dāng)激光開啟時(shí)，會(huì)加熱嵌入水凝膠中的銀納米顆粒，導(dǎo)致水凝膠收縮，從而打開微鉗。借助這種三維光纖微鑷，研究團(tuán)隊(duì)成功操控了單個(gè)細(xì)胞（封面圖片所示）以及不規(guī)則的微小物體，該設(shè)備可用于組裝微型器件，以及在狹小空間內(nèi)采集樣本。

研究團(tuán)隊(duì)所面臨挑戰(zhàn)的核心在于尺寸與力之間的權(quán)衡，光鑷?yán)酶叨染劢沟墓馐倏匚矬w，能夠以極高的精度施加皮牛頓（pN）級(jí)的力（1 皮牛頓為 1 牛頓的 1 萬億分之一），因此非常適合操控分子或較重且形狀規(guī)則的透明顆粒。然而，許多需要在微米級(jí)操控的目標(biāo)并不滿足這些條件。傳統(tǒng)的用于操控微小物體的微鑷可通過氣動(dòng)、磁性或機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)，能夠施加更大的力，但這類裝置通常具有毫米級(jí)尺寸，并配備復(fù)雜的外部控制系統(tǒng)，這大大限制了其在狹小或精密環(huán)境中的應(yīng)用。

一直以來，研究人員嘗試結(jié)合光鑷和機(jī)械微鑷的優(yōu)點(diǎn)，以開發(fā)能夠響應(yīng)光纖信號(hào)的機(jī)械微鑷。然而，以往的微鑷設(shè)計(jì)，無論是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)還是光纖技術(shù)，通常都受到操作靈活性差、輸出力小以及響應(yīng)速度慢等限制。

在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過仿生設(shè)計(jì)克服了上述局限，開發(fā)了一種三維光纖微鑷（3D Optical Fibre Gripper），其模擬了神經(jīng)、肌肉和骨骼的功能三元結(jié)構(gòu)——傳輸光信號(hào)的光纖作為“神經(jīng)”；含有銀納米顆粒的熱響應(yīng)性水凝膠作為“肌肉”；而剛性的聚合物微爪則構(gòu)成抓取物體的“骨骼”。這一概念框架不僅僅是一種類比，還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超光鑷所能達(dá)到的快速信號(hào)傳遞和更大的機(jī)械力。

仿生神經(jīng)-肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維光纖微鑷

該光纖微鑷通過飛秒激光雙光子聚合 3D 打印技術(shù)，直接在商用多模光纖的端面上一次性制造完成，其尺寸僅為 38×38×61 微米（μm），比大多數(shù)現(xiàn)有的集成于光纖中的微鑷小得多。

該光纖微鑷的抓取機(jī)制設(shè)計(jì)精巧而簡(jiǎn)潔：近紅外光通過光纖傳輸并照射到含有銀納米顆粒的水凝膠上，光與納米顆粒相互作用產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致水凝膠迅速收縮，從而驅(qū)動(dòng)微鑷張開，關(guān)閉光源后，水凝膠則恢復(fù)到松弛狀態(tài)，微鑷也隨之閉合。水凝膠的形狀經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以確保爪子的剛性觸角能夠有效開合，并實(shí)現(xiàn)所需的抓握力。最終得到的是一種外部控制、可逆操作的微鑷，它采用小型半導(dǎo)體激光器，而無需笨重的外部硬件。

這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于微鑷的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其響應(yīng)時(shí)間僅為 77 毫秒，可在高達(dá) 5 赫茲的頻率下實(shí)現(xiàn)開合（每秒完成 5 次開合），速度遠(yuǎn)超以往使用光纖的方法。更引人注目的是，它能產(chǎn)生微牛頓（μN(yùn)）級(jí)的力，其力質(zhì)比高達(dá) 340 微牛頓/毫克。這一力質(zhì)比相比之前報(bào)道的光纖集成微鑷提升了 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)；相比傳統(tǒng)光鑷，更是提升了 3-5 個(gè)數(shù)量級(jí)。這種速度、強(qiáng)度與微型化的結(jié)合，填補(bǔ)了光學(xué)和機(jī)械類微操作工具在性能上的空白。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光纖微鑷的性能，與傳統(tǒng)光鑷不同，該光纖微鑷能夠可靠地抓取和操控具有廣泛光學(xué)特性和幾何形狀的顆粒，研究團(tuán)隊(duì)展示了其對(duì)氧化鋁球體、碳化硅碎片以及復(fù)雜微型結(jié)構(gòu)的精確操控，凸顯了機(jī)械夾持相較于光學(xué)捕獲的多功能性。此外，該設(shè)備還能以微米級(jí)精度在三維空間中操控物體。

令人印象深刻的是，該光纖微鑷能夠操控比自身大得多的物體，研究團(tuán)隊(duì)展示了其成功吊起了一根長(zhǎng) 20 厘米、直徑 20 微米的銅線，相當(dāng)于約 4.9 微牛的拉力，考慮到該光纖微鑷自身微小的尺寸，這一成就令人驚嘆。這凸顯了將柔韌的水凝膠與機(jī)械性能強(qiáng)的聚合物爪相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。

該光纖微鑷還為微尺度組裝開辟了新途徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其能夠通過抓取和定位單個(gè)組件來構(gòu)建復(fù)雜的微型裝置，包括軸承和齒輪箱。這對(duì)于在硅芯片上制造微型光子器件，或用于將電氣與機(jī)械元件結(jié)合的微機(jī)電系統(tǒng)而言，可能具有革命性意義。

該光纖微鑷在生物環(huán)境中的表現(xiàn)同樣引人注目。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其能夠捕獲、運(yùn)輸并釋放單個(gè)人類癌細(xì)胞，且不損害其活性，使用該設(shè)備操作的細(xì)胞保持了正常的形態(tài)和分裂行為。這為該設(shè)備在單細(xì)胞分析、組織工程和力學(xué)生物學(xué)等需要精確、無損操控的應(yīng)用領(lǐng)域打開了大門。研究團(tuán)隊(duì)還演示了兩個(gè)光纖微鑷的協(xié)同操作：一個(gè)用來固定細(xì)胞團(tuán)，另一個(gè)用來抓住一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞并將其從細(xì)胞團(tuán)中分離出來。這種“雙鑷協(xié)作”模式，為研究細(xì)胞間相互作用、細(xì)胞遷移等基礎(chǔ)生物學(xué)問題提供了前所未有的工具。此外，該光纖微鑷還能在高速流動(dòng)環(huán)境（流速高達(dá)約 7500 微米/秒）中穩(wěn)定捕獲單個(gè)細(xì)胞，甚至可以配合尖銳的微針實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜穿刺。

該光纖微鑷的小巧尺寸，使其能夠進(jìn)入以往機(jī)械微鑷無法到達(dá)的環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)徑僅為 300 微米的玻璃毛細(xì)管內(nèi)部操作了該設(shè)備，并使用該設(shè)備成功從切除的兔膽管中提取樣本，凸顯了其潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。相比于直徑達(dá)毫米級(jí)的傳統(tǒng)活檢工具，該光纖微鑷的取樣所需的創(chuàng)傷更小，且能提供前所未有的空間精度。

總的來說，該研究通過將光誘導(dǎo)的熱激活與機(jī)械微鑷集成于單一光纖平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了精度與強(qiáng)度的兼顧，重新定義了微操作的可能性。 這項(xiàng)研究可能預(yù)示著一個(gè)未來——微型遙控工具能夠在復(fù)雜環(huán)境深處精準(zhǔn)作業(yè)——組裝器件、探測(cè)細(xì)胞，甚至進(jìn)行顯微外科手術(shù)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10673-7