《极端制造》：飞秒激光3D打印光纤纳米机械生物探针

深圳大学王义平教授团队的廖常锐教授和邹梦强博士等研究人员对3D打印光纤纳米机械生物探针的最新研究以“3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe”为题发表在《International Journal of Extreme Manufacturing》（《极端制造》）上。

超灵敏纳米机械仪器，例如原子力显微镜（AFM），可用于精细的生物力学测量，并揭示生物过程的复杂生物力学机制。然而，这些仪器由于其尺寸和复杂的反馈机制而受到限制。在这项研究中，研究人员展示了一种微型全光纤纳米机械生物探针（FONP），可用于检测单细胞的性能和组织测量。通过使用飞秒激光双光子聚合纳米光刻在单模光纤的端面上编程微悬臂探针，开发了可以在空气和液体中工作的FONP。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

微型光纤纳米机械生物探针（FONP）可用于检测单细胞的性能和组织测量。

FONP是通过使用飞秒激光3D打印在单模光纤的端面上编程微悬臂探头而开发的。

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。FONPs可以在空气/液体中工作并表现出超高的力分辨率，其最高微力灵敏度和检测限分别为54.5 nm μN−1和2.1 nN。

图1：FONP的结构图及传感原理。(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。

为了研究和设计FONP结构的刚度性能，利用COMSOL Multiphysics®软件建立了不同微悬臂梁厚度(6.3、2.8和1.3 μm)的机械模型。结果如图2(a) - (c)所示。超高的力学分辨率和使用灵活性，研究使用飞秒激光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。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。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。实现了FONP和待测样品之间的刚度匹配。研究人员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，研究人员研制了刚度系数范围在0.4至52.6 N/m之间的FONPs，并成功应用于不同种类生物材料的测量。

图2：FONP刚度特性和SEM图像。（a）–（c）相同微力（100 nN）作用于不同微悬臂厚度（6.3、2.8和1.3 μm）的FONPs时有限元仿真结果。（d） 相同微力（100 nN）下FONP的厚度和弹簧常数之间的关系。（e）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。（f） FONP-3的SEM轴测视图。（g） FONP-1的SEM轴测视图。

使用宽带光源(BBS)、3 dB耦合器和光学光谱分析仪(OSA)分别测量了三种不同FONP的反射光谱。图3(a)为不同微悬臂梁厚度的FONP的光学显微镜图像及其对应的反射光谱。当微悬臂梁厚度仅为1.3 μm时，FONP仍然具有较高的反射率光谱对比度(>15 dB)，这是由于微悬臂梁与光纤端面之间具有良好的平行度，以及微悬臂梁表面沉积的金涂层提高了反射率。

图3：实验设置和微力测量。(a)具有不同微悬臂厚度的FONP的光学显微镜图像及其相应的反射光谱。(b)测量系统设置。插图显示了非常硬的玻璃基板压痕使用FONP。(c)- (e)不同FONP在微力作用下的反射光谱演化及其相应的倾角波长。

利用三种制备的FONP对PDMS、洋葱细胞和MCF-7细胞三种不同刚度的软材料进行了测量，并得到了它们的杨氏模量。采用具有较大弹簧常数的FONP-1对PDMS样品进行压痕实验，如图4(b)中的插入图所示。图4(a)展示了压电级驱动FONP-1以1 μm的步长逐步缩进PDMS样品时，反射光谱的演变过程。蓝色反射光谱逐渐变化的从0μm逐渐增加到 13μm。

图4：PDMS压痕与FONP-1。(a) PDMS被FONP-1逐渐缩进时反射光谱的演变。(b)倾角波长与PMDS压痕深度的关系。插图显示了PDMS的FONP-1压痕示意图。(c)基于力压痕实验数据，采用Hertz模型拟合估算PDMS的杨氏模量。(d)基于FEM的FONP-1压痕PDMS试样模拟结果。(e)通过商用纳米压头传感器获得的PDMS薄膜的杨氏模量力学图。

同样，使用FONP-2来测量比PDMS更软的洋葱细胞。洋葱细胞上FONP-2压痕的侧视图如图5(a)所示。洋葱单元格的俯视图如图5(b)所示。图5(c)给出了洋葱细胞压痕过程中浸渍波长和力随压痕深度的变化曲线。用FONP-3对MCF-7细胞的力学性能进行测试，如图(d)- (f)。值得注意的是，与商用AFM中使用的硅基微悬臂探针相比，使用硬度小、直径大的3d打印聚合物探针，可以减少压痕测试时对细胞膜的机械损伤，在保持细胞原有活性的情况下完成测量。

图5：(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。

为了证实这种便携式FONP体内测量方法相对于商用AFMs的巨大进步和优越性，研究人员直接用FONP-1测量了活体小鼠大脑肌肉组织的杨氏模量。建立BALB/c小鼠体内脑组织压痕试验模型，如图6所示。在麻醉下，一只六周大的雌性老鼠在一个特殊的装置上进行了测试。将鼠头皮肤切开，露出肌肉，将鼠头周围用钢圈固定。然后利用FONP-1对小鼠头部肌肉组织进行压痕试验。

图6：FONP-1在小鼠肌肉上进行体内实验。(a)小鼠大脑肌肉组织压痕实验装置示意图。(b)体内外测量的小鼠脑组织典型力压痕曲线。绿色和蓝色虚线代表实验数据，红色和黑色线代表赫兹拟合曲线。(c)体内、体外杨氏模量比较。插图中展示了在小鼠大脑肌肉组织的不同位置进行的压痕实验。选择小鼠大脑肌肉组织的六个不同位置进行压痕测试，每个位置严格重复测量三次。

研究人员提出的具有可调谐刚度的微型FONP策略，解决了待测样品与FONP刚度不匹配的问题，实现了活体组织、细胞等软质生物材料力学性能的精确测量。基于刚度特性的有限元分析，制备了不同FONP，力检测限达到2.1 nN，与商用AFM相当，并成功测量了PDMS、洋葱细胞和MCF-7细胞的杨氏模量，验证了该策略。目前，这是第一例使用微型全纤微力传感器对单个细胞进行原位纳米压痕力学测试的报告，该FONP易于在空气和液体中使用。此外，本研究开发了一种适用于在体生物力学性质测量的新方法，该方法对活体生物样品的大小和形状没有特殊要求，这在使用商业AFM测量方法时是不可实现的。更关键的是，体外测量方法只能监测一种静态状态，没有考虑体内细胞代谢、活组织微生理循环等活动对生物力学性能的影响。突出了FONP能够实时测量纳米力学在体内的动态变化的无可比拟的优势。这些都表明FONP在实现基础生物学发现方面取得了实质性进展。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb741