实现纳米级冰刻纹身，科学家为活体0.5毫米水熊虫制备微纳图案

近期，西湖大学仇旻教授课题组的一项研究为生物微纳加工领域带来了新的突破。研究人员化身“雕刻师”，用冰刻技术成功地为身长仅 0.5 毫米的水熊虫进行“波点纹身”。

这些微纳图案是在水熊虫隐生状态下制备的，通过匹配冰层厚度和电子束能量，最大限度地减少了对水熊虫的辐射损伤。值得关注的是，其复活后这些微纳图案依然保持稳定。

该研究在多个领域具有应用潜力：

在生物医学领域，现有群体细胞检测方法难以获取单细胞水平的信息，而该技术有望实现单个生物体的精确探测和干预；在器件制备方面，有望用于开发新型生物传感器和药物递送装置；在活体微型机器人研发中，该技术为实现生物载体与功能元件的纳米级集成创造了可能性。

近日，相关论文以《在活体水熊虫上的图案化加工》（Patterning on Living Tardigrades）为题发表在Nano Letters[1]，并登上该期刊的补充封面。

西湖大学博士研究生杨治蓉是第一作者，西湖大学讲席教授仇旻和研究员赵鼎担任共同通讯作者。

传统光刻技术需要非常光滑的衬底才能实现均匀的光刻胶覆盖，并且加工环境要求严苛，这使得用其加工生物衬底面临重大的技术挑战。

为解决这一难题，仇旻课题组创新性地提出了冰刻技术——这是一种基于电子束加工的先进技术，其核心在于将传统光刻中的抗蚀剂替换为冰作为载体。这种技术突破使得在表面脆弱或凹凸不平的材料上也能实现均匀覆盖。

2020 年，研究人员成功搭建起一套自主研发的冰刻系统设备。在 2021 年底的一次组会中，课题组成员天马行空地讨论——在生物表面加工会创造怎样的可能性？

接下来就是选择哪种具体的生物，通过文献和资料调研，研究人员将目光锁定在著有“地表最强生物”之称的水熊虫。

杨治蓉向 DeepTech 解释说道：“选择水熊虫主要基于两方面考量：首先，真空、冷冻的实验条件对大多数生物来说极其恶劣，而水熊虫的抗逆性超强；其次，在正式实验之前我们对它已进行相关实验测试验证了其生存的可行性。”

那么，冰刻“纹身”具体是怎样实现的呢？

需要了解的是，整个过程是在一种低温的、水熊虫隐生状态下进行的，这是一种能够在极端环境下生存的状态。

在该状态下，它会缓慢排出身体中的水分，整个身体会缩成一团，因此在加工过程中它会保持这种相对固定的状态。

实验中，研究人员将水熊虫放置在一种碳纳米复合纸基底上，这种材料疏松多孔，兼具良好的电导率和热导率，不仅能够有效支持水熊虫进入隐生状态，同时也为后续的加工提供了理想的条件。

整个实验在自主设计的冰刻系统中进行，当衬底降温到 130K 以下且整体温度均匀后，通过控制阀引入水蒸气，以在水熊虫身体表面形成厚度可控的均匀冰薄膜。

随后，研究人员可以立即在扫描电镜下直接观察，并选择加工图案的区域。“纹身”图案不仅可在电脑上设计，还能自主设置电子束的能量、束流等关键参数。这些参数直接影响加工结构的厚度和机械强度等性质。

“如果采用有机冰作为抗蚀剂，经过电子束辐射的区域在常温下会保持固态；而未受电子束辐射的冰层在升温过程中自然升华，这样就能在水熊虫身上‘刻’成我们期望的结构。”杨治蓉告诉 DeepTech。

基于该方法，研究人员成功在水熊虫表面制造出了多种微纳图案，包括纳米线阵列、微盘阵列、方阵以及定制的西湖大学校徽图案等。实验结果显示，纳米线的最小线宽可达 72 纳米，且在水熊虫经过包括拉伸、溶剂浸泡、冲洗和干燥等一系列处理后仍然能够保持稳定。

实际上，虽然此前该团队已经对冰刻技术深入研究，但针对水熊虫的研究尚属首次。杨治蓉表示：“在实验过程中，我们遇到了不少挑战。由于之前没有研究水熊虫的经验，实验结果有时不理想，只能一点点去推断可能的原因。”

在摸索实验条件方面，研究人员也投入了大量时间和精力，并探索出用什么参数能让水熊虫更好地存活。此外，加工后的结构在光学显微镜下很难看清，为了观察结构，需要再次固定水熊虫，拿到电子显微镜下进行观测。

“研究过程的每一步都需要去摸索经验，这不仅靠我们自己努力，也离不开学校各平台老师们的帮助。”杨治蓉说。

目前，该团队仅在水熊虫成功冰刻“纹身”，未来他们希望通过增加额外的保护措施，把这项技术拓展到更多生物。

微纳尺度的结构会有很多独特的光学、热学、电学等性质，如果能在各种微小生物、组织、器官或者细胞上加工微纳结构，会有很多能发挥作用的空间。

从理论上来说，水熊虫有可能在太空或火星等恶劣环境下存活。我们可以大胆想象：未来，在水熊虫身上配置一种微型传感器，然后把它放到火星上，以监测火星环境。

正如《荀子·劝学》所言“君子性非异也, 善假于物也”，杨治蓉指出，借助生物本身的能力去开展科学探索将会非常有意义。未来，这项技术的发展还有更多想象的空间。

参考资料：

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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