超靈敏的納米機械儀(yi) 器，如原子力顯微鏡（AFM）和納米壓痕儀(yi) ，可以完成精細的生物力學測量，從(cong) 而揭示生命活動中複雜的生物力學機製。然而，受限於(yu) 機械反饋機製和有源組件的存在，目前常用的力學檢測儀(yi) 器仍存在體(ti) 積過大、無法進行在體(ti) 測量等難題。微型化的全光纖納米機械生物探針可以彌補現有檢測儀(yi) 器的不足，在細胞測量、微創檢查和組織彈性成像等諸多領域發揮作用。

最近，深圳大學王義(yi) 平教授團隊的廖常銳教授和鄒夢強博士等人《極端製造》期刊上發表了題為(wei) '3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe'的研究論文。

圖1 FONP的結構示意圖和納米力學檢測原理。(a) 光纖端麵微懸臂梁生物探針結構示意圖；(b) FONP的光學相位解調原理。

該團隊開發了一種微型化的光纖納米機械生物探針（FONP），成功應用於(yu) 單細胞及小鼠活體(ti) 組織的生物力學性能檢測（圖1）。利用飛秒激光3D打印技術和力學結構優(you) 化算法，該團隊成功研製了彈性係數可調諧的微懸臂梁探針，解決(jue) 了FONP與(yu) 待測樣品的剛度失配問題，實現了對洋蔥細胞、MCF-7乳腺癌細胞和小鼠活體(ti) 組織等多種異質生物材料的力學性能檢測。FONP傳(chuan) 感係統有望為(wei) 生物力學研究提供一種全新的介入式檢測方法，為(wei) 全光纖型AFM的發展奠定了基礎。

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論文亮點

1.飛秒激光3D打印一體(ti) 化製備光纖端麵微懸臂梁探針；

2.通過力學結構優(you) 化實現了剛度可調諧微懸臂梁探針的可控製備；

3.通過光學相位解調實現了納牛頓（nN）級的超高力學檢測分辨率；

4.實現了癌細胞和小鼠活體(ti) 組織的生物力學性能在線檢測。

研究背景

隨著微加工技術的發展，微操作逐漸得到了更廣泛的應用。在微觀世界中，如果接觸力得不到可靠的檢測和有效的控製，微觀物體(ti) 很容易損壞。尤其在細胞檢測、組織成像和微創檢查等領域，迫切需要精確控製和測量施加在微小物體(ti) 上的微弱力。例如，在心髒導管插入術中，醫生必須清楚知曉導管與(yu) 血管壁之間的接觸力，避免在插入過程中損傷(shang) 患者的血管壁。為(wei) 了滿足在體(ti) 生物力學檢測應用的需求，迫切需要將微力傳(chuan) 感器的尺寸縮小，檢測方式優(you) 化，以實現穩定、高精度的介入式力學性質檢測。

飛秒激光3D打印技術是一種納米尺度的增材加工方法，其加工精度可優(you) 於(yu) 10 nm。飛秒激光3D打印技術可用於(yu) 加工任意形狀的微納結構，同時對光刻膠進行材料摻雜，可以輕鬆實現微納結構的功能化。將飛秒激光3D打印技術與(yu) “光纖實驗室”技術交叉融合，可以在傳(chuan) 統光纖上一體(ti) 化集成微納功能結構，從(cong) 而有效提高光纖傳(chuan) 感器的性能。因此，光纖傳(chuan) 感技術和飛秒激光3D打印技術相結合為(wei) 開發剛度可調諧的微型納米機械儀(yi) 器開辟了新途徑。

最近進展

超高的力學分辨率和使用靈活性。我們(men) 使用飛秒激光3D打印技術，結合力學結構優(you) 化算法，製備出一係列的光纖端麵微懸臂梁探針。在確保結構魯棒性的基礎上，力學檢測分辨率達到了納牛頓（nN）級水平，實現了2.1 nN的超高檢測極限，可與(yu) 商用AFM相媲美（圖2）。FONP係統使用全光纖信號傳(chuan) 輸代替AFM係統複雜的光學杠杆解調，並結合深度傳(chuan) 感壓痕法，可以測量各種非均勻異質材料的力學性質，且降低了對測試樣品形狀規則的要求，具有較高的使用靈活性。

圖2 (a)-(c) FONP的剛度特性有限元仿真結果；(d)-(e) FONP的掃描電鏡圖；(f) FONP的納牛級力學傳(chuan) 感特性；(g) FONP深度傳(chuan) 感壓痕測試仿真結果；(h) 基於(yu) 商用納米壓痕儀(yi) 的結果驗證；(i) FONP的壓力靈敏度響應。

實現了FONP和待測樣品之間的剛度匹配。我們(men) 提出了一種實現微型FONP剛度可調的策略。該策略利用結構力學與(yu) 拓撲學理論，結合有限元仿真，設計出具有與(yu) 樣品剛度匹配的FONP，再通過飛秒激光3D打印技術在光纖端麵一體(ti) 成型製備出特定剛度的FONP。目前，我們(men) 研製了剛度係數範圍在0.4至52.6 N/m之間的FONPs（圖3），並成功應用於(yu) 不同種類生物材料的測量。

圖3 (a) 三種不同設計FONPs的掃描電鏡圖；(b) 三種不同設計FONPs的剛度係數測量結果。

提出了全光纖型AFM的新概念。我們(men) 通過製備的一係列FONPs成功地測量了聚二甲基矽氧烷（PDMS）、洋蔥細胞、MCF-7乳腺癌細胞、活體(ti) 小鼠組織等非均質材料的楊氏模量，並用商用納米壓痕儀(yi) 的測試結果進行驗證（圖4）。新型FONP係統不僅(jin) 測試結果準確可靠，而且使用光學相位解調，簡化了商用AFM複雜的光學杠杆解調係統，為(wei) 實現便攜式全光纖AFM開辟了新的思路和途徑。

圖4 (a)-(c) 基於(yu) FONP-2對洋蔥細胞力學性質的測試結果；(d)-(f) 基於(yu) FONP-3對MCF-7乳腺癌細胞力學性質的測試結果；(g)-(i) 基於(yu) FONP-1對活體(ti) 小鼠腦部肌肉組織力學性質的在線測試結果。

未來展望

本研究所提出的全光纖納米機械生物探針具有靈敏度高、檢測極限低、無特殊封裝要求、生物相容性好和全光操作等優(you) 點，在材料力學和生物力學研究方麵，具有廣闊的應用前景。此外，這種方法為(wei) 實現通用型全光纖AFM開辟了新的途徑。在未來，我們(men) 期望這種新型的光纖納米機械生物探針係統能夠廣泛應用於(yu) 人體(ti) 不同組織的在線生物力學性質檢測，如體(ti) 內(nei) 心肌細胞跳動監測、組織彈性成像、腫瘤組織介入活檢等，成為(wei) 生物力學相關(guan) 領域研究的重要新方法。

原始文獻：Zou M Q, Liao C R, Chen Y P, Cai Z H, Li B Z, Zhao C, Liu S, Wang Y, Wang Y P et al. 2023. 3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe. Int. J. Extrem. Manuf. 5 015005.

論文鏈接：http://doi.org/10.1088/2631-7990/acb741

研究團隊

論文作者：鄒夢強、廖常銳*、許改霞、趙聰、張需明、Sandor Kasas、王義(yi) 平*等

單位：深圳大學、香港理工大學、瑞士洛桑理工學院等