中国科学家给“地表最强”水熊“纹身”，还能操控它“跳舞”

发布时间：2025-05-14 22:52:44  浏览量：2

想象一支比尘埃还小的探险队，携带着传感器和电路，在人体血管中悄然航行。它们扫描病灶、修复细胞，如同《蚁人》中缩小的英雄穿梭于微观战场。

电影《蚁 人（ Ant-Ma n）》剧照

虽然这是漫威宇宙的虚构情节，但中国西湖大学科学家们通过地球上最顽强的生物“水熊虫”，正在努力将科幻小说中的纳米医疗愿景逐步拉进现实。

蝌蚪五线谱连线采访了参与此项研究的西湖大学光电研究院研究员赵鼎，他告诉蝌蚪君：“水熊虫被选为实验对象主要基于其极端环境耐受性，尤其是在低温和真空环境下的卓越生存能力，这与施展冰刻技术所需的冷冻和真空条件高度契合。这些特性使水熊虫成为验证实验可行性的理想生物。”

自然界的“不死战士”

水熊虫的生存传奇

水熊虫又称缓步动物，是这颗星球上最顽强的微观生命。

它们身长约0.5毫米，大部分不超过1毫米，通体透明，进食后可呈黄色、棕色、深红色或绿色。它们身体短小丰满，有1个头部，4对腿从躯部伸出，末端有爪子、吸盘或脚趾。

但别被这憨态可掬的外表所迷惑，它们是自然界当之无愧的“极限生存大师”。

水熊虫的两种状态，左为正常活动状态，右为“脱水”状态。

水熊虫的生存场所遍及地球各个角落：从深海热泉到雪山之巅，从热带雨林到干旱沙漠。为了适应极端环境，它们演化出了一套堪称“作弊”的生存技能。当环境恶化时，水熊虫会主动脱水，收缩成一颗“干瘪小球”，进入隐生状态。此时它们的新陈代谢几乎停止，却能抵抗-272℃的极端冷冻、151℃的高温炙烤，甚至承受比人类致死剂量高千倍的辐射。更惊人的是，它们曾在太空实验中被直接暴露于宇宙真空和太阳辐射下，十天后依然有部分个体复活。

（图片来源：美国国立自然历史博物馆）

科学家推测，这种“不死之身”的奥秘可能源于其体内特殊的保护蛋白。水熊虫体内的特异性蛋白质能像海绵一样包裹住细胞结构，防止脱水损伤；同时Dsup蛋白还能保护水熊虫的DNA，使其免受辐射损伤，增强对紫外线的抵抗力。正因如此，水熊虫成为了研究抗逆性机制的“活体教科书”，甚至被戏称为“外星生物预备役”。毕竟，如果连地球极端环境都无法杀死它们，谁又能断言它们不能在外星球存活？

冰刻术

水熊虫的“纹身”

微细加工技术是构建微小物体的技术，包括微观和纳米级的物体与图案，在电子学、光子学、生物医学等领域具有重要应用。

因生物组织十分脆弱且易受损伤，传统微细加工技术（如电子束光刻）通常涉及有毒溶剂或强辐射，难以直接应用于活体生物。为突破这一瓶颈，西湖大学的科学家们创新性地开发并应用冰刻技术，成功在水熊虫体表“纹”上了纳米尺度的图案。

冰刻技术示意图

科学家们首先使水熊虫在碳纳米复合基底上脱水，进入代谢几乎停滞的隐生状态。该基底材料兼具多孔结构与高导电性，既为水熊虫提供进入隐生状态的理想环境，又能缓解后续电子束加工过程中的电荷积累。

随后，在处于隐生状态的水熊虫体表覆盖一层特殊的纳米冰膜。经过电子束曝光，使特定区域的冰膜转化为常温下稳定存在的固体图案。最后将水熊虫转移至适宜环境中复苏后，它便可以携带这些图案“纹身”自由活动。

冰刻技术下的水熊虫

该研究首次证明微细加工技术可以在活体生物的体表制备微纳米图案。即使在拉伸、浸泡、冲洗和干燥等外部作用下，这些图案仍然保持优异的黏附性，展现出卓越的稳定性与实用潜力。研究成果为微生物传感、仿生器件和活体微型机器人等领域提供了新的技术路径。

附着金属条纹图案的水熊虫

同时，在该团队的另一项研究中，科学家们开创性地采用半导体薄膜沉积技术，成功为水熊虫打造微米级“金属纹身”。通过磁控溅射或电子束蒸发技术，研究人员在隐生状态的水熊虫体表精准沉积金属薄膜。

当水熊虫复苏时，其体表运动使金属薄膜自然撕裂，形成独特条纹图案。不同金属修饰可赋予水熊虫特异功能特性，例如经磁性金属修饰的水熊虫具备磁场响应能力，研究人员能通过外部磁场调控其旋转、滚动及平移运动。

从纹身到医疗革命

微观协作的曙光

这两项研究开创了针对活体生物（特别是缓步动物）的微纳加工新领域，不仅为极端环境生物的适应性研究提供了全新工具，更展现了微纳制造技术与生物科学深度交叉融合的巨大潜力。

电影《阿凡达（Avatar）》剧照

赵鼎研究员表示，目前研究只是非常初期的起步阶段，现在仅仅做到了能“活”，距离真正能“用”还有非常大的距离。

在后续研究中，将进一步探索微型活体机器人的开发，重点研究缓步动物、耐辐射微生物等抗逆生物的特性，并在微纳加工过程中引入活体保护措施，有效降低微纳制造环境对生物活性的不利影响，以提升该技术的可扩展性。

未来，通过更先进的微纳加工方法，科学家们有望在生物体表面特定区域构筑更加精细的图案，从纳米级的导电线路到仿生传感器阵列，甚至可编程的药物释放模块。

这些结构不仅像“生命电路”般附着于生物体，还能通过光、电、热等多物理场的协同调控，实现对细胞活动、代谢路径乃至运动行为的精准干预。 就像《阿凡达》中纳美人与潘多拉星球的神经连接一样，人类将学会用纳米级的 “笔触”，在生命的画布上绘制出既能感知世界，又能自我修复的 “活体科技”。