科學家用納米技術給1毫米的水熊蟲“紋身”
作者：Denovo科普團隊（楊超 博士）
審覈：中科院生物物理所 副研究員 陶寧
你或許聽說過“水熊蟲”——這種微小的生物常被稱爲地球上最頑強的生命體，它能忍受低溫、高溫、輻射、甚至真空的摧殘。但你絕對想不到，科學家最近真的在水熊蟲身上“紋了身”——用納米級的圖案精確地刻在它們的皮膚上，而且這些小蟲子在“紋身”之後還能復活、行動自如！
這項突破性的實驗由西湖大學仇旻教授團隊完成，研究人員首次採用名爲“冰刻技術”的納米加工方法，在活體生物——準確地說是在水熊蟲的皮膚上——繪製出分辨率高達72納米的圖案。相關成果發表於國際頂尖期刊《Nano Letters》，引發了科技界和公衆的廣泛關注。
基於冰刻技術的水熊蟲表面碳質微納結構表徵。（圖片來源：參考文獻[1]）
但科學家“給水熊蟲紋身”，並不只是爲了“炫技”。這項研究背後隱藏着多個領域的技術突破——冰刻技術、生物兼容性、極端生存機制、納米集成器件……
水熊蟲：自然界的極限生物
要理解“給生物紋身”這件事的技術難度，先得了解被“紋”的對象究竟有多特別。水熊蟲，一種長度僅有0.1至1毫米之間的微型無脊椎動物，外形像縮小版的毛毛蟲，廣泛存在於苔蘚、樹皮、泥土和湖底沉積物中。
仇旻教授團隊的楊治蓉在山上挖苔蘚捉水熊蟲（圖片來源：西湖大學）
但別被它渺小的身軀欺騙，水熊蟲的生存能力堪稱“地表最強”。它們可以在零下273°C的極寒環境中存活，也能耐受150°C的高溫；能抵抗紫外線、X射線和γ射線；甚至能在太空中裸露生存十餘天而安然無恙。這一切，得益於它們的“隱生狀態”——當環境變得極端時，水熊蟲會主動脫水，將自己蜷縮成一個橢圓形的乾屍，代謝幾乎完全停滯，如同進入一種“可逆休眠”狀態。
極端耐受水熊蟲的光學圖像（圖片來源：參考文獻[1]）
正因爲這種極端耐受力，水熊蟲成爲研究極端生物學、宇宙生命可能性、低溫保存技術的重要模型生物。
冰刻技術：在“冰上作畫”的納米工藝
水熊蟲的文身並非來自針頭與墨水，而是結合了低溫物理、電子束技術與生物耐受機制的精密操作。科學家使用的，是一種前沿的納米加工方法——冰刻技術（ice lithography）。它的核心理念是，將傳統光刻工藝中的光刻膠，替換爲一層超薄的冷凍“冰膜”，並用電子束在其上進行圖案雕刻。
這項技術原本被用於在非平整、脆弱的表面，如納米探針或柔性材料上實現高分辨率加工。仇旻團隊首次將其擴展到活體生物——更準確地說，是處於隱生狀態下的水熊蟲表面。這是一個重大突破，因爲傳統電子束刻蝕極易損傷生物組織，而冰刻法天然具備生物相容性強、熱損傷小、掩膜去除無污染等優勢。
一場“冷酷”的精密工藝
研究人員將水熊蟲脫水至隱生狀態後，安置在低溫平臺上，將其環境溫度降至約130 K（約-143°C），以避免熱量損傷。在冷卻狀態下，注入蒸氣態的有機分子——苯甲醚。其分子在超低溫下迅速凝結，均勻覆蓋於水熊蟲表面，形成厚度約200納米的冰膜。
繼續採用加速電壓爲2 keV、束流電流爲50 pA的電子束，在冰膜表面按設定圖案逐點曝光。曝光區域的苯甲醚發生化學變化，碳含量提高至94%以上，形成穩定且附着牢固的固體圖案。未曝光部分則可昇華消失。
隨後在真空中緩慢升溫，未曝光冰層昇華，僅保留“雕刻”區域的圖案結構，這些圖案便牢牢附着在水熊蟲的皮膚表面，形成了真正意義上的“納米文身”。
在水熊蟲表面圖案化的原理示意圖（圖片來源：參考文獻[1]）(a) 利用冷臺將樣品冷卻至130 K；(b) 將苯甲醚蒸氣沉積在樣品表面，形成冰膜；(c) 電子束按照預設圖案照射固態苯甲醚；(d) 將樣品加熱至室溫，未被照射的苯甲醚昇華，而照射區域則在樣品表面形成圖案。
“文身”的最小線寬可達72納米，相當於人類頭髮直徑的1/1000。圖案種類涵蓋納米線陣列、微盤陣列、方陣圖形，甚至還在水熊蟲身上“紋”上了“西湖大學”的校徽。
此外，研究團隊通過焦離子束截面成像證實，這些圖案與水熊蟲表皮結構緊密貼合、結合牢固；而採用的碳納米複合紙作爲基底，不僅導電導熱性能優異，還爲水熊蟲提供了理想的“隱生”支撐平臺。
總結
在生物電子學、合成生物學、活體傳感器、微型機器人等前沿領域，如何將電子結構、功能器件與柔軟、動態、複雜的生物表面精準耦合，是一個長期未解的挑戰。而這枚圖案精巧、牢固持久的“納米紋身”，爲這個問題提供了全新的解法思路。
未來，或許我們能在微生物身上構建電路，在活體細胞中組裝傳感器，甚至在一滴水中培養出“活着的機器人”。這一切的起點，正是今天在水熊蟲身上的那幾筆微小紋路。
參考文獻：
[1] Yang, Zhirong, et al. "Patterning on Living Tardigrades." Nano Letters 25.15 (2025): 6168-6175.
[2] https://www.westlake.edu.cn/
