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【导语】水熊虫，这一被誉为地球上最顽强生命的微小生物，近日在科学家的巧妙手下，竟被赋予了全新的“外貌”——纳米级图案的“纹身”。西湖大学仇旻教授团队利用前沿的冰刻技术，在活体水熊虫的皮肤上绘制出高分辨率的图案，这一突破性实验不仅展现了技术的精妙，更为生物电子学、合成生物学等领域带来了全新的启示。这些微小而精巧的“纹身”，或许将成为未来科技革命的新起点。

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(hòu)还(hái)能(néng)复(fù)活(huó)、行(xíng)动(dòng)自(zì)如(rú)！

这(zhè)项(xiàng)突(tū)破(pò)性(xìng)的(de)实(shí)验(yàn)由(yóu)西(xi)湖(hú)大(dà)学(xué)仇(chóu)旻(mín)教(jiào)授(shòu)团(tuán)队(duì)完(wán)成(chéng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)首(shǒu)次(cì)采用(yòng)名为(wèi)“冰(bīng)刻(kè)技(jì)术(shù)”的(de)纳(nà)米(mǐ)加(jiā)工(gōng)方(fāng)法(fǎ)，在(zài)活(huó)体(tǐ)生(shēng)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(háo)米(mǐ)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(piàn)，水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)的(de)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(jìn)行(xíng)图(tú)案(àn)雕(diāo)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(tiān)然(rán)具(jù)备(bèi)生(shēng)物(wù)相(xiāng)容(róng)性(xìng)强(qiáng)、热(rè)损(sǔn)伤(shāng)小(xiǎo)、掩(yǎn)膜(mó)去(qù)除(chú)无(wú)污(wū)染(rǎn)等(děng)优(yōu)势(shì)。

一(yī)场(chǎng)“冷(lěng)酷(kù)”的(de)精(jīng)密(mì)工(gōng)艺(yì)

研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)将(jiāng)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)脱(tuō)水(shuǐ)至(zhì)隐(yǐn)生(shēng)状(zhuàng)态(tài)后(hòu)，安(ān)置(zhì)在(zài)低(dī)温(wēn)平(píng)台(tái)上(shàng)，将其环境温度降至约130 K（约-143°C），以避免热量损伤。在冷却(què)状(zhuàng)态(tài)下(xià)，注(zhù)入(rù)蒸(zhēng)气(qì)态(tài)的(de)有(yǒu)机(jī)分(fēn)子(zi)——苯(běn)甲(jiǎ)醚(mí)。其(qí)分(fēn)子(zi)在(zài)超(chāo)低(dī)温(wēn)下(xià)迅(xùn)速(sù)凝(níng)结(jié)，均(jūn)匀(yún)覆(fù)盖(gài)于(yú)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)表(biǎo)面(miàn)，形(xíng)成(chéng)厚(hòu)度(dù)约(yuē)200纳(nà)米(mǐ)的(de)冰(bīng)膜(mó)。

继(jì)续(xù)采用(yòng)加(jiā)速(sù)电(diàn)压(yā)为(wèi)2 keV、束(shù)流(liú)电(diàn)流(liú)为(wèi)50 pA的(de)电(diàn)子(zi)束(shù)，在(zài)冰(bīng)膜(mó)表(biǎo)面(miàn)按(àn)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(zé)可(kě)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(shàng)的(de)“纳(nà)米(mǐ)文身(shēn)”。

在(zài)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)表(biǎo)面(miàn)图(tú)案(àn)化(huà)的(de)原(yuán)理(lǐ)示(shì)意(yì)图(tú)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[1]）(a) 利(lì)用(yòng)冷(lěng)台(tái)将(jiāng)样(yàng)品(pǐn)冷(lěng)却(què)至(zhì)130 K；(b) 将(jiāng)苯(běn)甲(jiǎ)醚(mí)蒸(zhēng)气(qì)沉(chén)积(jī)在(zài)样(yàng)品(pǐn)表(biǎo)面(miàn)，形(xíng)成(chéng)冰(bīng)膜(mó)；(c) 电(diàn)子(zi)束(shù)按(àn)照(zhào)预(yù)设(shè)图(tú)案(àn)照(zhào)射(shè)固(gù)态(tài)苯(běn)甲(jiǎ)醚(mí)；(d) 将(jiāng)样(yàng)品(pǐn)加(jiā)热(rè)至(zhì)室(shì)温(wēn)，未(wèi)被(bèi)照(zhào)射(shè)的(de)苯(běn)甲(jiǎ)醚(mí)升(shēng)华(huá)，而(ér)照(zhào)射(shè)区(qū)域则(zé)在(zài)样(yàng)品(pǐn)表(biǎo)面(miàn)形(xíng)成(chéng)图(tú)案(àn)。

“文身(shēn)”的(de)最(zuì)小(xiǎo)线(xiàn)宽(kuān)可(kě)达(dá)72纳(nà)米(mǐ)，相(xiāng)当(dāng)于(yú)人(rén)类(lèi)头(tóu)发(fā)直(zhí)径的(de)1/1000。图(tú)案(àn)种(zhǒng)类(lèi)涵(hán)盖(gài)纳(nà)米(mǐ)线(xiàn)阵(zhèn)列(liè)、微(wēi)盘(pán)阵(zhèn)列(liè)、方(fāng)阵(zhèn)图(tú)形(xíng)，甚(shén)至(zhì)还(hái)在(zài)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)身(shēn)上(shàng)“纹(wén)”上(shàng)了(le)“西(xi)湖(hú)大(dà)学(xué)”的(de)校(xiào)徽(huī)。

此(cǐ)外(wài)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)焦(jiāo)离(lí)子(zi)束(shù)截(jié)面(miàn)成(chéng)像(xiàng)证(zhèng)实(shí)，这(zhè)些(xiē)图(tú)案(àn)与(yǔ)水(shuǐ)熊(xióng)虫(chóng)表(biǎo)皮(pí)结(jié)构(gòu)紧(jǐn)密(mì)贴(tiē)合(hé)、结(jié)合(hé)牢(láo)固(gù)；而(ér)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(zi)结(jié)构(gòu)、功(gōng)能(néng)器(qì)件(jiàn)与(yǔ)柔(róu)软(ruǎn)、动(dòng)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。

作者：Denovo科普团队（杨超 博士）

审核：陶宁 中国科学院生物物理所副研究员

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/