飞秒激光3D打印光纤纳米机械生物探针

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文章导读

超灵敏的纳米机械仪器，如原子力显微镜（AFM）和纳米压痕仪，可以完成精细的生物力学测量，从而揭示生命活动中复杂的生物力学机制。然而，受限于机械反馈机制和有源组件的存在，目前常用的力学检测仪器仍存在体积过大、无法进行在体测量等难题。微型化的全光纤纳米机械生物探针可以弥补现有检测仪器的不足，在细胞测量、微创检查和组织弹性成像等诸多领域发挥作用。

最近，深圳大学王义平教授团队的廖常锐教授和邹梦强博士等人在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为《3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe》的研究论文。该团队开发了一种微型化的光纤纳米机械生物探针（FONP），成功应用于单细胞及小鼠活体组织的生物力学性能检测（图1）。

利用飞秒激光3D打印技术和力学结构优化算法，该团队成功研制了弹性系数可调谐的微悬臂梁探针，解决了FONP与待测样品的刚度失配问题，实现了对洋葱细胞、MCF-7乳腺癌细胞和小鼠活体组织等多种异质生物材料的力学性能检测。FONP传感系统有望为生物力学研究提供一种全新的介入式检测方法，为全光纤型AFM的发展奠定了基础。

亮点

飞秒激光3D打印一体化制备光纤端面微悬臂梁探针

通过力学结构优化实现了刚度可调谐微悬臂梁探针的可控制备

通过光学相位解调实现了纳牛顿（nN）级的超高力学检测分辨率

实现了癌细胞和小鼠活体组织的生物力学性能在线检测

图1 FONP的结构示意图和纳米力学检测原理。(a) 光纤端面微悬臂梁生物探针结构示意图；(b) FONP的光学相位解调原理。

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研究背景

随着微加工技术的发展，微操作逐渐得到了更广泛的应用。在微观世界中，如果接触力得不到可靠的检测和有效的控制，微观物体很容易损坏。尤其在细胞检测、组织成像和微创检查等领域，迫切需要精确控制和测量施加在微小物体上的微弱力。例如，在心脏导管插入术中，医生必须清楚知晓导管与血管壁之间的接触力，避免在插入过程中损伤患者的血管壁。为了满足在体生物力学检测应用的需求，迫切需要将微力传感器的尺寸缩小，检测方式优化，以实现稳定、高精度的介入式力学性质检测。

飞秒激光3D打印技术是一种纳米尺度的增材加工方法，其加工精度可优于10 nm。飞秒激光3D打印技术可用于加工任意形状的微纳结构，同时对光刻胶进行材料掺杂，可以轻松实现微纳结构的功能化。将飞秒激光3D打印技术与“光纤实验室”技术交叉融合，可以在传统光纤上一体化集成微纳功能结构，从而有效提高光纤传感器的性能。因此，光纤传感技术和飞秒激光3D打印技术相结合为开发刚度可调谐的微型纳米机械仪器开辟了新途径。

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最近进展

超高的力学分辨率和使用灵活性。

我们使用飞秒激光3D打印技术，结合力学结构优化算法，制备出一系列的光纤端面微悬臂梁探针。在确保结构鲁棒性的基础上，力学检测分辨率达到了纳牛顿（nN）级水平，实现了2.1 nN的超高检测极限，可与商用AFM相媲美（图2）。FONP系统使用全光纤信号传输代替AFM系统复杂的光学杠杆解调，并结合深度传感压痕法，可以测量各种非均匀异质材料的力学性质，且降低了对测试样品形状规则的要求，具有较高的使用灵活性。

图2 (a)-(c) FONP的刚度特性有限元仿真结果；(d)-(e) FONP的扫描电镜图；(f) FONP的纳牛级力学传感特性；(g) FONP深度传感压痕测试仿真结果；(h) 基于商用纳米压痕仪的结果验证；(i) FONP的压力灵敏度响应。

实现了FONP和待测样品之间的刚度匹配。

我们提出了一种实现微型FONP刚度可调的策略。该策略利用结构力学与拓扑学理论，结合有限元仿真，设计出具有与样品刚度匹配的FONP，再通过飞秒激光3D打印技术在光纤端面一体成型制备出特定刚度的FONP。目前，我们研制了刚度系数范围在0.4至52.6 N/m之间的FONPs（图3），并成功应用于不同种类生物材料的测量。

图3 (a) 三种不同设计FONPs的扫描电镜图；(b) 三种不同设计FONPs的刚度系数测量结果。

提出了全光纤型AFM的新概念。

我们通过制备的一系列FONPs成功地测量了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、洋葱细胞、MCF-7乳腺癌细胞、活体小鼠组织等非均质材料的杨氏模量，并用商用纳米压痕仪的测试结果进行验证（图4）。新型FONP系统不仅测试结果准确可靠，而且使用光学相位解调，简化了商用AFM复杂的光学杠杆解调系统，为实现便携式全光纤AFM开辟了新的思路和途径。

图4 (a)-(c) 基于FONP-2对洋葱细胞力学性质的测试结果；(d)-(f) 基于FONP-3对MCF-7乳腺癌细胞力学性质的测试结果；(g)-(i) 基于FONP-1对活体小鼠脑部肌肉组织力学性质的在线测试结果。

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未来展望

本研究所提出的全光纤纳米机械生物探针具有灵敏度高、检测极限低、无特殊封装要求、生物相容性好和全光操作等优点，在材料力学和生物力学研究方面，具有广阔的应用前景。此外，这种方法为实现通用型全光纤AFM开辟了新的途径。在未来，我们期望这种新型的光纤纳米机械生物探针系统能够广泛应用于人体不同组织的在线生物力学性质检测，如体内心肌细胞跳动监测、组织弹性成像、肿瘤组织介入活检等，成为生物力学相关领域研究的重要新方法。

审核编辑：刘清