超靈敏的納米機械儀器，如原子力顯微鏡（AFM）和納米壓痕儀，可以完成精細的生物力學測量，從而揭示生命活動中復雜的生物力學機制。然而，受限于機械反饋機制和有源組件的存在，目前常用的力學檢測儀器仍存在體積過大、無法進行在體測量等難題。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，深圳大學王義平教授團隊的廖常銳教授和鄒夢強博士等人《極端制造》期刊上發表了題為'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) 光纖端面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），成功應用于單細胞及小鼠活體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化算法，該團隊成功研制了彈性系數可調諧的微懸臂梁探針，解決了FONP與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組織等多種異質生物材料的力學性能檢測。FONP傳感系統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的發展奠定了基礎。
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論文亮點
1.飛秒激光3D打印一體化制備光纖端面微懸臂梁探針；
2.通過力學結構優化實現了剛度可調諧微懸臂梁探針的可控制備；
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制，微觀物體很容易損壞。尤其在細胞檢測、組織成像和微創檢查等領域，迫切需要精確控制和測量施加在微小物體上的微弱力。例如，在心臟導管插入術中，醫生必須清楚知曉導管與血管壁之間的接觸力，避免在插入過程中損傷患者的血管壁。為了滿足在體生物力學檢測應用的需求，迫切需要將微力傳感器的尺寸縮小，檢測方式優化，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，其加工精度可優于10 nm。飛秒激光3D打印技術可用于加工任意形狀的微納結構，同時對光刻膠進行材料摻雜，可以輕松實現微納結構的功能化。將飛秒激光3D打印技術與“光纖實驗室”技術交叉融合，可以在傳統光纖上一體化集成微納功能結構，從而有效提高光纖傳感器的性能。因此，光纖傳感技術和飛秒激光3D打印技術相結合為開發剛度可調諧的微型納米機械儀器開辟了新途徑。
最近進展
超高的力學分辨率和使用靈活性。我們使用飛秒激光3D打印技術，結合力學結構優化算法，制備出一系列的光纖端面微懸臂梁探針。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，可與商用AFM相媲美（圖2）。FONP系統使用全光纖信號傳輸代替AFM系統復雜的光學杠桿解調，并結合深度傳感壓痕法，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的納牛級力學傳感特性；(g) FONP深度傳感壓痕測試仿真結果；(h) 基于商用納米壓痕儀的結果驗證；(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，我們研制了剛度系數范圍在0.4至52.6 N/m之間的FONPs（圖3），并成功應用于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的剛度系數測量結果。
提出了全光纖型AFM的新概念。我們通過制備的一系列FONPs成功地測量了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、洋蔥細胞、MCF-7乳腺癌細胞、活體小鼠組織等非均質材料的楊氏模量，并用商用納米壓痕儀的測試結果進行驗證（圖4）。新型FONP系統不僅測試結果準確可靠，而且使用光學相位解調，簡化了商用AFM復雜的光學杠桿解調系統，為實現便攜式全光纖AFM開辟了新的思路和途徑。
圖4 (a)-(c) 基于FONP-2對洋蔥細胞力學性質的測試結果；(d)-(f) 基于FONP-3對MCF-7乳腺癌細胞力學性質的測試結果；(g)-(i) 基于FONP-1對活體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點，在材料力學和生物力學研究方面，具有廣闊的應用前景。此外，這種方法為實現通用型全光纖AFM開辟了新的途徑。在未來，我們期望這種新型的光纖納米機械生物探針系統能夠廣泛應用于人體不同組織的在線生物力學性質檢測，如體內心肌細胞跳動監測、組織彈性成像、腫瘤組織介入活檢等，成為生物力學相關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：https://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、王義平*等
單位：深圳大學、香港理工大學、瑞士洛桑理工學院等
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