登上Nature封面：我國學者開發3D光纖微鑷，填補領域空白，實現單個細胞操控

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

從組裝微型器件到探測單個細胞，能夠在微米尺度上操控物質的能力，在生物學、醫學和微工程領域都至關重要。然而，一直以來，研究人員都面臨一個難以抉擇的權衡——光鑷利用光束操控物體，精度極高，但所能施加的力非常有限；而機械微鑷雖然能施加更強的力，但卻缺乏精細度，且難以微型化。

近日，安徽大學/中國科學技術大學吳東教授，香港中文大學張立教授，中國科學技術大學胡衍雷教授、汪超煒教授及合肥工業大學張晨初副研究員作為共同通訊作者（安徽大學潘登博士為論文第一作者），在國際頂尖學術期刊Nature上發表了題為：Optical fibre gripper for high-performance 3D micromanipulation 的研究論文，該論文還被選為期刊封面論文，這也是安徽大學的首篇Nature論文。

該研究提出了面向纖基集成器件的飛秒激光復合制造方法，在商用光纖端部構建了一種三維光纖微鑷（3D OFG），實現了微米尺度目標的高精度、低損傷與可編程三維操控，展示了抓取單個細胞、組裝微型齒輪，以及深入膽管進行活檢取樣等應用，為我們打開了一扇通往微觀世界精密操控的大門。

操控微米級物體并非易事。光鑷利用高度聚焦的光束移動物體，雖然精度極高，但施加的力非常微弱。而機械鑷子依靠更傳統的手段夾持和移動物體，雖能施加更大的力，卻缺乏光鑷的精確性。在這項新研究中，吳東團隊等展示了一種結合兩者優勢的三維光纖微鑷，他們設計出一種僅寬 38 微米的機械微鉗，并通過光進行控制。一根光纖將激光傳遞至連接在剛性聚合物鉗上的熱敏水凝膠，當激光開啟時，會加熱嵌入水凝膠中的銀納米顆粒，導致水凝膠收縮，從而打開微鉗。借助這種三維光纖微鑷，研究團隊成功操控了單個細胞（封面圖片所示）以及不規則的微小物體，該設備可用于組裝微型器件，以及在狹小空間內采集樣本。

研究團隊所面臨挑戰的核心在于尺寸與力之間的權衡，光鑷利用高度聚焦的光束操控物體，能夠以極高的精度施加皮牛頓（pN）級的力（1 皮牛頓為 1 牛頓的 1 萬億分之一），因此非常適合操控分子或較重且形狀規則的透明顆粒。然而，許多需要在微米級操控的目標并不滿足這些條件。傳統的用于操控微小物體的微鑷可通過氣動、磁性或機械方式驅動，能夠施加更大的力，但這類裝置通常具有毫米級尺寸，并配備復雜的外部控制系統，這大大限制了其在狹小或精密環境中的應用。

一直以來，研究人員嘗試結合光鑷和機械微鑷的優點，以開發能夠響應光纖信號的機械微鑷。然而，以往的微鑷設計，無論是基于機械結構還是光纖技術，通常都受到操作靈活性差、輸出力小以及響應速度慢等限制。

在這項新研究中，研究團隊通過仿生設計克服了上述局限，開發了一種三維光纖微鑷（3D Optical Fibre Gripper），其模擬了神經、肌肉和骨骼的功能三元結構——傳輸光信號的光纖作為“神經”；含有銀納米顆粒的熱響應性水凝膠作為“肌肉”；而剛性的聚合物微爪則構成抓取物體的“骨骼”。這一概念框架不僅僅是一種類比，還能實現遠超光鑷所能達到的快速信號傳遞和更大的機械力。

仿生神經-肌肉-骨骼結構設計的三維光纖微鑷

該光纖微鑷通過飛秒激光雙光子聚合 3D 打印技術，直接在商用多模光纖的端面上一次性制造完成，其尺寸僅為 38×38×61 微米（μm），比大多數現有的集成于光纖中的微鑷小得多。

該光纖微鑷的抓取機制設計精巧而簡潔：近紅外光通過光纖傳輸并照射到含有銀納米顆粒的水凝膠上，光與納米顆粒相互作用產生熱量，導致水凝膠迅速收縮，從而驅動微鑷張開，關閉光源后，水凝膠則恢復到松弛狀態，微鑷也隨之閉合。水凝膠的形狀經過精心設計，以確保爪子的剛性觸角能夠有效開合，并實現所需的抓握力。最終得到的是一種外部控制、可逆操作的微鑷，它采用小型半導體激光器，而無需笨重的外部硬件。

這項研究的獨特之處在于微鑷的性能。實驗結果顯示，其響應時間僅為 77 毫秒，可在高達 5 赫茲的頻率下實現開合（每秒完成 5 次開合），速度遠超以往使用光纖的方法。更引人注目的是，它能產生微牛頓（μN）級的力，其力質比高達 340 微牛頓/毫克。這一力質比相比之前報道的光纖集成微鑷提升了 1-2 個數量級；相比傳統光鑷，更是提升了 3-5 個數量級。這種速度、強度與微型化的結合，填補了光學和機械類微操作工具在性能上的空白。

研究團隊進一步通過一系列實驗驗證了該光纖微鑷的性能，與傳統光鑷不同，該光纖微鑷能夠可靠地抓取和操控具有廣泛光學特性和幾何形狀的顆粒，研究團隊展示了其對氧化鋁球體、碳化硅碎片以及復雜微型結構的精確操控，凸顯了機械夾持相較于光學捕獲的多功能性。此外，該設備還能以微米級精度在三維空間中操控物體。

令人印象深刻的是，該光纖微鑷能夠操控比自身大得多的物體，研究團隊展示了其成功吊起了一根長 20 厘米、直徑 20 微米的銅線，相當于約 4.9 微牛的拉力，考慮到該光纖微鑷自身微小的尺寸，這一成就令人驚嘆。這凸顯了將柔韌的水凝膠與機械性能強的聚合物爪相結合的優勢。

該光纖微鑷還為微尺度組裝開辟了新途徑。實驗結果顯示，其能夠通過抓取和定位單個組件來構建復雜的微型裝置，包括軸承和齒輪箱。這對于在硅芯片上制造微型光子器件，或用于將電氣與機械元件結合的微機電系統而言，可能具有革命性意義。

該光纖微鑷在生物環境中的表現同樣引人注目。實驗結果顯示，其能夠捕獲、運輸并釋放單個人類癌細胞，且不損害其活性，使用該設備操作的細胞保持了正常的形態和分裂行為。這為該設備在單細胞分析、組織工程和力學生物學等需要精確、無損操控的應用領域打開了大門。研究團隊還演示了兩個光纖微鑷的協同操作：一個用來固定細胞團，另一個用來抓住一個單獨的細胞并將其從細胞團中分離出來。這種“雙鑷協作”模式，為研究細胞間相互作用、細胞遷移等基礎生物學問題提供了前所未有的工具。此外，該光纖微鑷還能在高速流動環境（流速高達約 7500 微米/秒）中穩定捕獲單個細胞，甚至可以配合尖銳的微針實現細胞膜穿刺。

該光纖微鑷的小巧尺寸，使其能夠進入以往機械微鑷無法到達的環境，研究團隊在內徑僅為 300 微米的玻璃毛細管內部操作了該設備，并使用該設備成功從切除的兔膽管中提取樣本，凸顯了其潛在的臨床應用價值。相比于直徑達毫米級的傳統活檢工具，該光纖微鑷的取樣所需的創傷更小，且能提供前所未有的空間精度。

總的來說，該研究通過將光誘導的熱激活與機械微鑷集成于單一光纖平臺，實現了精度與強度的兼顧，重新定義了微操作的可能性。 這項研究可能預示著一個未來——微型遙控工具能夠在復雜環境深處精準作業——組裝器件、探測細胞，甚至進行顯微外科手術。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10673-7