深圳大学：飞秒激光3D打印光纤纳米机械生物探针

随着微加工技术的发展，微操作逐渐得到了更广泛的应用。在微观世界中，如果接触力得不到可靠的检测和有效的控制，微观物体很容易损坏。尤其在细胞检测、组织成像和微创检查等领域，迫切需要精确控制和测量施加在微小物体上的微弱力。例如，在心脏导管插入术中，医生必须清楚知晓导管与血管壁之间的接触力，避免在插入过程中损伤患者的血管壁。为了满足在体生物力学检测应用的需求，迫切需要将微力传感器的尺寸缩小，检测方式优化，以实现稳定、高精度的介入式力学性质检测。

飞秒激光3D打印技术是一种纳米尺度的增材加工方法，其加工精度可优于10 nm。飞秒激光3D打印技术可用于加工任意形状的微纳结构，同时对光刻胶进行材料掺杂，可以轻松实现微纳结构的功能化。将飞秒激光3D打印技术与“光纤实验室”技术交叉融合，可以在传统光纤上一体化集成微纳功能结构，从而有效提高光纤传感器的性能。因此，光纤传感技术和飞秒激光3D打印技术相结合为开发刚度可调谐的微型纳米机械仪器开辟了新途径。

超高的力学分辨率和使用灵活性。我们使用飞秒激光3D打印技术，结合力学结构优化算法，制备出一系列的光纤端面微悬臂梁探针。在确保结构鲁棒性的基础上，力学检测分辨率达到了纳牛顿（nN）级水平，实现了2.1 nN的超高检测极限，可与商用AFM相媲美（图2）。FONP系统使用全光纤信号传输代替AFM系统复杂的光学杠杆解调，并结合深度传感压痕法，可以测量各种非均匀异质材料的力学性质，且降低了对测试样品形状规则的要求，具有较高的使用灵活性。

实现了FONP和待测样品之间的刚度匹配。我们提出了一种实现微型FONP刚度可调的策略。该策略利用结构力学与拓扑学理论，结合有限元仿真，设计出具有与样品刚度匹配的FONP，再通过飞秒激光3D打印技术在光纤端面一体成型制备出特定刚度的FONP。目前，我们研制了刚度系数范围在0.4至52.6 N/m之间的FONPs（图3），并成功应用于不同种类生物材料的测量。

提出了全光纤型AFM的新概念。我们通过制备的一系列FONPs成功地测量了聚二甲基硅氧烷（PDMS）、洋葱细胞、MCF-7乳腺癌细胞、活体小鼠组织等非均质材料的杨氏模量，并用商用纳米压痕仪的测试结果进行验证（图4）。新型FONP系统不仅测试结果准确可靠，而且使用光学相位解调，简化了商用AFM复杂的光学杠杆解调系统，为实现便携式全光纤AFM开辟了新的思路和途径。

本研究所提出的全光纤纳米机械生物探针具有灵敏度高、检测极限低、无特殊封装要求、生物相容性好和全光操作等优点，在材料力学和生物力学研究方面，具有广阔的应用前景。此外，这种方法为实现通用型全光纤AFM开辟了新的途径。在未来，我们期望这种新型的光纤纳米机械生物探针系统能够广泛应用于人体不同组织的在线生物力学性质检测，如体内心肌细胞跳动监测、组织弹性成像、肿瘤组织介入活检等，成为生物力学相关领域研究的重要新方法。