西湖大學教授仇旻團隊在被譽為“地表最強生物”的水熊蟲體表，實現(xiàn)了微納米級圖案的精確制備，并借助這些功能性圖案實現(xiàn)了對水熊蟲運動的有效操控。這項研究擴寬了傳統(tǒng)微納加工技術(shù)的應用邊界，不僅完成了活體生物體表的功能化修飾，更實現(xiàn)了對微尺度生物運動的精確調(diào)控。日前，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《納米快報》《科學通報》，并被《納米快報》選為封面文章。
相關(guān)研究成果被《納米快報》選為封面文章。課題組供圖
緩步動物，俗稱水熊蟲，因其極端生存能力被譽為“地表最強生物”。這種微型生物能夠在-273℃至近100℃的溫度區(qū)間存活，并能抵御極端脫水、強輻射、高壓及有毒環(huán)境，成為研究團隊探索微納加工在生物體系應用的理想樣品。
在《科學通報》發(fā)表的研究中，團隊開創(chuàng)性地采用半導體薄膜沉積技術(shù)，成功為水熊蟲打造微米級“金屬紋身”。通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)技術(shù)，研究人員在隱生狀態(tài)的水熊蟲體表精準沉積金屬薄膜。當水熊蟲復蘇時，其體表運動使金屬薄膜自然撕裂，形成獨特條紋圖案。不同金屬修飾可賦予水熊蟲特異功能特性，例如經(jīng)磁性金屬修飾的水熊蟲具備磁場響應能力，研究人員能通過外部磁場調(diào)控其旋轉(zhuǎn)、滾動及平移運動。
在《納米快報》發(fā)表的研究中，團隊開發(fā)出更精密的“冰刻紋身”技術(shù)，可為水熊蟲量身定制納米級“碳質(zhì)紋身”。該技術(shù)首先在隱生水熊蟲表面均勻沉積納米冰膜，隨后通過電子束曝光將特定區(qū)域的冰膜轉(zhuǎn)化為常溫穩(wěn)定的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)。在適宜復蘇條件下，帶有這種“碳質(zhì)紋身”的水熊蟲能夠成功恢復生命活動。實驗表明，該碳質(zhì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的附著性能，可耐受拉伸、溶劑浸泡、沖洗及干燥等多種物理化學作用。與傳統(tǒng)的薄膜沉積技術(shù)相比，冰刻技術(shù)實現(xiàn)了原位加工，在圖案精度、附著穩(wěn)定性和生物相容性等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
該研究開創(chuàng)了針對活體生物（特別是緩步動物）的微納加工新領(lǐng)域，不僅為極端環(huán)境生物的適應性研究提供了全新工具，更展現(xiàn)了微納制造技術(shù)與生物科學深度交叉融合的巨大潛力。未來有望利用更多的微納加工方法，在生物體表面特定區(qū)域構(gòu)筑更加精細的圖案，并通過光、電、熱等多物理場調(diào)控實現(xiàn)對其生命活動的精準干預，在新型生物電子器件、仿生器件和活體微型機器人等前沿領(lǐng)域有廣闊的應用前景。
相關(guān)論文信息：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00378
https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.04.012Get rights and content
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