深圳大學王義平教授團隊的廖常銳教授和鄒夢強博士等研究人員對3D打印光纖納米機械生物探針的最新研究以“3D printed fiber-optic nanomechanical bioprobe”為題發(fā)表在《International Journal of Extreme Manufacturing》（《極端制造》）上。
超靈敏納米機械儀器，例如原子力顯微鏡（AFM），可用于精細的生物力學測量，并揭示生物過程的復雜生物力學機制。然而，這些儀器由于其尺寸和復雜的反饋機制而受到限制。在這項研究中，研究人員展示了一種微型全光纖納米機械生物探針（FONP），可用于檢測單細胞的性能和組織測量。通過使用飛秒激光雙光子聚合納米光刻在單模光纖的端面上編程微懸臂探針，開發(fā)了可以在空氣和液體中工作的FONP。解決了FONP與待測樣品的剛度失配問題，實現(xiàn)了對洋蔥細胞、MCF-7乳腺癌細胞和小鼠活體組織等多種異質(zhì)生物材料的力學性能檢測。FONP傳感系統(tǒng)有望為生物力學研究提供一種全新的介入式檢測方法，為全光纖型AFM的發(fā)展奠定了基礎。
亮點
微型光纖納米機械生物探針（FONP）可用于檢測單細胞的性能和組織測量。
FONP是通過使用飛秒激光3D打印在單模光纖的端面上編程微懸臂探頭而開發(fā)的。
通過力學結構優(yōu)化實現(xiàn)了剛度可調(diào)諧微懸臂梁探針的可控制備。
通過光學相位解調(diào)實現(xiàn)了納牛頓（nN）級的超高力學檢測分辨率。FONPs可以在空氣/液體中工作并表現(xiàn)出超高的力分辨率，其最高微力靈敏度和檢測限分別為54.5 nm μN?1和2.1 nN。
圖1：FONP的結構圖及傳感原理。(a) 光纖端面微懸臂梁生物探針結構示意圖；(b) FONP的光學相位解調(diào)原理。
為了研究和設計FONP結構的剛度性能，利用COMSOL Multiphysics?軟件建立了不同微懸臂梁厚度(6.3、2.8和1.3 μm)的機械模型。結果如圖2(a) - (c)所示。超高的力學分辨率和使用靈活性，研究使用飛秒激光3D打印技術，結合力學結構優(yōu)化算法，制備出一系列的光纖端面微懸臂梁探針。力學檢測分辨率達到了納牛頓（nN）級水平，實現(xiàn)了2.1 nN的超高檢測極限，可與商用AFM相媲美。FONP系統(tǒng)使用全光纖信號傳輸代替AFM系統(tǒng)復雜的光學杠桿解調(diào)，并結合深度傳感壓痕法，可以測量各種非均勻異質(zhì)材料的力學性質(zhì)，且降低了對測試樣品形狀規(guī)則的要求，具有較高的使用靈活性。實現(xiàn)了FONP和待測樣品之間的剛度匹配。研究人員提出了一種實現(xiàn)微型FONP剛度可調(diào)的策略。該策略利用結構力學與拓撲學理論，結合有限元仿真，設計出具有與樣品剛度匹配的FONP，再通過飛秒激光3D打印技術在光纖端面一體成型制備出特定剛度的FONP。目前，研究人員研制了剛度系數(shù)范圍在0.4至52.6 N/m之間的FONPs，并成功應用于不同種類生物材料的測量。
圖2：FONP剛度特性和SEM圖像。（a）–（c）相同微力（100 nN）作用于不同微懸臂厚度（6.3、2.8和1.3 μm）的FONPs時有限元仿真結果。（d） 相同微力（100 nN）下FONP的厚度和彈簧常數(shù)之間的關系。（e）三種不同設計FONPs的掃描電鏡圖；(b)三種不同設計FONPs的剛度系數(shù)測量結果。（f） FONP-3的SEM軸測視圖。（g） FONP-1的SEM軸測視圖。
使用寬帶光源(BBS)、3 dB耦合器和光學光譜分析儀(OSA)分別測量了三種不同F(xiàn)ONP的反射光譜。圖3(a)為不同微懸臂梁厚度的FONP的光學顯微鏡圖像及其對應的反射光譜。當微懸臂梁厚度僅為1.3 μm時，F(xiàn)ONP仍然具有較高的反射率光譜對比度(>15 dB)，這是由于微懸臂梁與光纖端面之間具有良好的平行度，以及微懸臂梁表面沉積的金涂層提高了反射率。
圖3：實驗設置和微力測量。(a)具有不同微懸臂厚度的FONP的光學顯微鏡圖像及其相應的反射光譜。(b)測量系統(tǒng)設置。插圖顯示了非常硬的玻璃基板壓痕使用FONP。(c)- (e)不同F(xiàn)ONP在微力作用下的反射光譜演化及其相應的傾角波長。
利用三種制備的FONP對PDMS、洋蔥細胞和MCF-7細胞三種不同剛度的軟材料進行了測量，并得到了它們的楊氏模量。采用具有較大彈簧常數(shù)的FONP-1對PDMS樣品進行壓痕實驗，如圖4(b)中的插入圖所示。圖4(a)展示了壓電級驅(qū)動FONP-1以1 μm的步長逐步縮進PDMS樣品時，反射光譜的演變過程。藍色反射光譜逐漸變化的從0μm逐漸增加到 13μm。
圖4：PDMS壓痕與FONP-1。(a) PDMS被FONP-1逐漸縮進時反射光譜的演變。(b)傾角波長與PMDS壓痕深度的關系。插圖顯示了PDMS的FONP-1壓痕示意圖。(c)基于力壓痕實驗數(shù)據(jù)，采用Hertz模型擬合估算PDMS的楊氏模量。(d)基于FEM的FONP-1壓痕PDMS試樣模擬結果。(e)通過商用納米壓頭傳感器獲得的PDMS薄膜的楊氏模量力學圖。
同樣，使用FONP-2來測量比PDMS更軟的洋蔥細胞。洋蔥細胞上FONP-2壓痕的側視圖如圖5(a)所示。洋蔥單元格的俯視圖如圖5(b)所示。圖5(c)給出了洋蔥細胞壓痕過程中浸漬波長和力隨壓痕深度的變化曲線。用FONP-3對MCF-7細胞的力學性能進行測試，如圖(d)- (f)。值得注意的是，與商用AFM中使用的硅基微懸臂探針相比，使用硬度小、直徑大的3d打印聚合物探針，可以減少壓痕測試時對細胞膜的機械損傷，在保持細胞原有活性的情況下完成測量。
圖5：(a)-(c) 基于FONP-2對洋蔥細胞力學性質(zhì)的測試結果；(d)-(f) 基于FONP-3對MCF-7乳腺癌細胞力學性質(zhì)的測試結果。
為了證實這種便攜式FONP體內(nèi)測量方法相對于商用AFMs的巨大進步和優(yōu)越性，研究人員直接用FONP-1測量了活體小鼠大腦肌肉組織的楊氏模量。建立BALB/c小鼠體內(nèi)腦組織壓痕試驗模型，如圖6所示。在麻醉下，一只六周大的雌性老鼠在一個特殊的裝置上進行了測試。將鼠頭皮膚切開，露出肌肉，將鼠頭周圍用鋼圈固定。然后利用FONP-1對小鼠頭部肌肉組織進行壓痕試驗。
圖6：FONP-1在小鼠肌肉上進行體內(nèi)實驗。(a)小鼠大腦肌肉組織壓痕實驗裝置示意圖。(b)體內(nèi)外測量的小鼠腦組織典型力壓痕曲線。綠色和藍色虛線代表實驗數(shù)據(jù)，紅色和黑色線代表赫茲擬合曲線。(c)體內(nèi)、體外楊氏模量比較。插圖中展示了在小鼠大腦肌肉組織的不同位置進行的壓痕實驗。選擇小鼠大腦肌肉組織的六個不同位置進行壓痕測試，每個位置嚴格重復測量三次。
研究人員提出的具有可調(diào)諧剛度的微型FONP策略，解決了待測樣品與FONP剛度不匹配的問題，實現(xiàn)了活體組織、細胞等軟質(zhì)生物材料力學性能的精確測量。基于剛度特性的有限元分析，制備了不同F(xiàn)ONP，力檢測限達到2.1 nN，與商用AFM相當，并成功測量了PDMS、洋蔥細胞和MCF-7細胞的楊氏模量，驗證了該策略。目前，這是第一例使用微型全纖微力傳感器對單個細胞進行原位納米壓痕力學測試的報告，該FONP易于在空氣和液體中使用。此外，本研究開發(fā)了一種適用于在體生物力學性質(zhì)測量的新方法，該方法對活體生物樣品的大小和形狀沒有特殊要求，這在使用商業(yè)AFM測量方法時是不可實現(xiàn)的。更關鍵的是，體外測量方法只能監(jiān)測一種靜態(tài)狀態(tài)，沒有考慮體內(nèi)細胞代謝、活組織微生理循環(huán)等活動對生物力學性能的影響。突出了FONP能夠?qū)崟r測量納米力學在體內(nèi)的動態(tài)變化的無可比擬的優(yōu)勢。這些都表明FONP在實現(xiàn)基礎生物學發(fā)現(xiàn)方面取得了實質(zhì)性進展。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/acb741
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