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【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(zhì)微(wēi)纳(nà)结(jié)构(gòu)表(biǎo)征(zhēng)。（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[1]）

但(dàn)科(kē)学(xué)家(jiā)“给(gěi)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)纹(wén)身(shēn)”，并(bìng)不(bù)只(zhǐ)是(shì)为(wèi)了(le)“炫(xuàn)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、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(dǐ)沉(chén)积(jī)物(wù)中(zhōng)。

仇(chóu)旻(mín)教(jiào)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(shēng)存(cún)能(néng)力(lì)堪(kān)称(chēng)“地(de)表(biǎo)最(zuì)强(qiáng)”。它(tā)们(men)可(kě)以(yǐ)在(zài)零(líng)下(xià)273°C的(de)极(jí)寒(hán)环(huán)境(jìng)中(zhōng)存(cún)活(huó)，也(yě)能(néng)耐(nài)受(shòu)150°C的(de)高(gāo)温(wēn)；能(néng)抵(dǐ)抗(kàng)紫(zǐ)外(wài)线(xiàn)、X射(shè)线(xiàn)和(hé)γ射(shè)线(xiàn)；甚(shén)至(zhì)能(néng)在(zài)太(tài)空(kōng)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(xíng)图(tú)案(àn)雕(diāo)刻(kè)。

这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)原(yuán)本(běn)被(bèi)用(yòng)于(yú)在(zài)非(fēi)平(píng)整(zhěng)、脆(cuì)弱(ruò)的(de)表(biǎo)面(miàn)，如(rú)纳(nà)米(mǐ)探(tàn)针(zhēn)或(huò)柔(róu)性(xìng)材(cái)料(liào)上(shàng)实(shí)现(xiàn)高(gāo)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)加(jiā)工(gōng)。仇(chóu)旻(mín)团队首次(cì)将(jiāng)其(qí)扩(kuò)展(zhǎn)到(dào)活(huó)体(tǐ)生(shēng)物(wù)——更(gèng)准(zhǔn)确(què)地(de)说(shuō)，是(shì)处(chù)于(yú)隐(yǐn)生(shēng)状(zhuàng)态(tài)下(xià)的(de)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)表(biǎo)面(miàn)。这(zhè)是(shì)一(yī)个(gè)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(liàng)提(tí)高(gāo)至(zhì)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(tài)、复(fù)杂(zá)的(de)生(shēng)物(wù)表(biǎo)面(miàn)精(jīng)准(zhǔn)耦(ǒu)合(hé)，是(shì)一(yī)个(gè)长(zhǎng)期(qī)未(wèi)解(jiě)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)。而(ér)这(zhè)枚(méi)图(tú)案(àn)精(jīng)巧(qiǎo)、牢(láo)固(gù)持(chí)久(jiǔ)的(de)“纳(nà)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