科学家用纳米技术给1毫米的水熊虫“纹身”

作者：Denovo科普团队（杨超 博士）

审核：中科院生物物理所 副研究员 陶宁

你或许听说过“水熊虫”——这种微小的生物常被称为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”。这项研究背后隐藏着多个领域的技术突破——冰刻技术、生物兼容性、极端生存机制、纳米集成器件……

水熊虫：自然界的极限生物

要理解“给生物纹身”这件事的技术难度，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、泥土和湖底沉积物中。

仇旻教授团队的杨治蓉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。

极端耐受水熊虫的光学图像（图片来源：参考文献[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，替换为一层超薄的冷冻“冰膜”，并用电子束在其上进行图案雕刻。

这项技术原本被用于在非平整、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/

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