中国科学家居然利用纳米技术给水熊虫做了个文身

【导语】在地球上，有一种微小却生命力顽强的生物——水熊虫，它能耐受极端环境，被誉为“地表最强生命”。近日，西湖大学仇旻教授团队实现了一项突破性实验：他们利用冰刻技术，在活体水熊虫的皮肤上绘制出纳米级图案，这些“纹身”后的水熊虫仍能复活并行动自如。这项研究不仅展示了冰刻技术的生物相容性与高分辨率加工能力，更为生物电子学、合成生物学等领域提供了全新的解决思路。未来，这一技术或许将引领我们进入微生物电子与活体机器人的全新时代。

你或许听说过“水熊虫”——这种微小的生物常被称(chēng)为(wèi)地球上最顽强的生命体，它能忍受低温、高温、辐射、甚至真空的摧残。但你绝对想不到，科学家最近真的在水熊虫身上“纹了身”——用纳米级的图案精确地刻在它们的皮肤上，而且这些小虫子在“纹身”之后还能复活、行动自如！

这项突破性的实验由西湖大学仇旻教授团队完成，研究人员首次采用名为“冰刻技术”的纳米加工方法，在活体生物——准确地说是在水熊虫的皮肤上——绘制出分辨率高达72纳米的图案。相关成果发表于国际顶尖期刊《Nano Letters》，引发了科技界和公众的广泛关注。

基于冰刻技术的水熊虫表面碳质微纳结构表征。（图片来源：参考文献[1]）

但科学家“给水熊虫纹身”，并不只是为了“炫技(jì)”。这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)背(bèi)后(hòu)隐(yǐn)藏(cáng)着(zhe)多(duō)个(gè)领(lǐng)域的(de)技(jì)术(shù)突(tū)破(pò)——冰(bīng)刻(kè)技(jì)术(shù)、生(shēng)物(wù)兼(jiān)容(róng)性(xìng)、极(jí)端(duān)生(shēng)存(cún)机(jī)制(zhì)、纳(nà)米(mǐ)集成(chéng)器(qì)件(jiàn)……

水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)：自(zì)然(rán)界(jiè)的(de)极(jí)限(xiàn)生(shēng)物(wù)

要(yào)理(lǐ)解(jiě)“给(gěi)生(shēng)物(wù)纹(wén)身(shēn)”这(zhè)件事的技术难度，先得了解被“纹”的对象究竟有多特别。水熊虫，一种长度仅有0.1至1毫米之间的微型无脊椎动物，外形像缩小版的毛毛虫，广泛存在于苔藓、树皮、泥土和湖底沉积物(wù)中(zhōng)。

仇(chóu)旻(mín)教(jiào)授(shòu)团(tuán)队(duì)的(de)杨(yáng)治(zhì)蓉(róng)在山上挖苔藓捉水熊虫（图片来源：西湖大学）

但别被它渺小的身躯欺骗，水熊虫的生存能力堪称“地表最强”。它们可以在零下273°C的极寒环境中存活，也能耐受150°C的高温；能抵抗紫外线、X射线和γ射线；甚至能在太空中裸露生存十余天而安然无恙。这一切，得益于它们的“隐生状态”——当环境变得极端时，水熊虫会主动脱水，将自己蜷缩成一个椭圆形的干尸，代谢几乎完全停滞，如同进入一种“可逆休眠”状态。

极(jí)端(duān)耐(nài)受(shòu)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)的(de)光(guāng)学(xué)图(tú)像(xiàng)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考文献[1]）

正因为这种极端耐受力，水熊虫成为研究极端生物学、宇宙生命可能性、低温保存技术的重要模型生物。

冰刻技术：在“冰上作画”的纳米工艺

水熊虫的文身并非来自针头与墨水，而是结合了低温物理、电子束技术与生物耐受机制的精密操作。科学家使用的，是一种前沿的纳米加工方法——冰刻技术（ice lithography）。它的核心理念是，将传统光刻工艺中的光刻胶(jiāo)，替(tì)换(huàn)为(wèi)一(yī)层(céng)超(chāo)薄(báo)的(de)冷(lěng)冻(dòng)“冰(bīng)膜(mó)”，并(bìng)用(yòng)电(diàn)子(zi)束(shù)在(zài)其(qí)上(shàng)进(jìn)行(xíng)图(tú)案(àn)雕(diāo)刻(kè)。

这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)原(yuán)本被用于在非平整、脆弱的表面，如纳米探针或柔性材料上实现高分辨率加工。仇旻团队首次将其扩展到活体生物——更准确地说，是处于隐生状态下的水熊虫表面。这是一个重大突破，因为传统电子束刻蚀极易损伤生物组织，而冰刻法天然具备生物相容性强、热损伤小、掩膜去除无污染等优势。

一场“冷酷”的精密工艺

研究人员将水熊虫脱水至隐生状态后，安置在低温平台上，将其环境温度降至约130 K（约-143°C），以避免热量损伤。在冷却状态下，注入蒸气态的有机分子——苯甲醚。其分子在超低温下迅速凝结，均匀覆盖于水熊虫表面，形成厚度约200纳米的冰膜。

继续采用加速电压为2 keV、束流电流为50 pA的电子束，在冰膜表面按设定图案逐点曝光。曝光区域的苯甲醚发生化学变化，碳含量提高至94%以上，形成稳定(dìng)且附着牢固的固体图案。未曝光部分则可升华消失。

随后在真空中缓慢升温，未曝光冰层升华，仅保留“雕刻”区域的图案结构，这些图案便牢牢附着在水熊虫的皮肤表面，形成了真正意义上的“纳米文身”。

在水熊虫表面图案化的原理示意图（图片来源：参考文献[1]）(a) 利用冷台将样品冷却至130 K；(b) 将苯甲醚蒸气沉积在样品表面，形成冰膜；(c) 电子束按照预设图案照射固态苯甲醚；(d) 将样品加热至室温，未被照射的苯甲醚升华，而照射区域则在样品表面形成图案。

“文身”的最小线宽可达72纳米，相当于人类头发直径的1/1000。图案种类涵盖纳米线阵列、微盘阵列、方阵图形，甚至还在水熊虫身上“纹”上了“西湖大学”的校徽。

此外，研究团队通过焦离子束截面成像证实，这些图案与水熊虫表皮结构紧密贴合、结合牢固；而采用的碳纳米复合纸作为基底，不仅导电导热性能优异，还为水熊虫提供了理想的“隐生”支撑平台。

总结

在生物电子学、合成生物学、活体传感器、微型机器人等前沿领域，如何将电子结构、功能器件与柔软、动态、复杂的生物表面精准耦合，是一个长期未解的挑战。而这枚图案精巧、牢固持久的“纳米纹身”，为这个问题提供了全新的解法思路。

未来，或许我们能在微生物身上构建电路，在活体细胞中组装传感器，甚至在一滴水中培养出“活着的机器人”。这一切的起点，正是今天在水熊虫身上的那几笔微小纹路。

参考文献：

[1] Yang, Zhirong, et al. "Patterning on Living Tardigrades." Nano Letters 25.15 (2025): 6168-6175.

[2] https://www.westlake.edu.cn/

作(zuò)者(zhě)：Denovo科(kē)普团队（杨(yáng)超(chāo) 博(bó)士(shì)）

审(shěn)核(hé)：中(zhōng)科(kē)院(yuàn)生(shēng)物(wù)物(wù)理(lǐ)所(suǒ) 副(fù)研(yán)究(jiū)员(yuán) 陶(táo)宁(níng)