深圳先进院成功研制新型光-电镊原型系统，实现单个细胞到聚集体的操控

1月9日，记者从中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）了解到，该院医工所智能医用材料与器械研究中心杜学敏研究员团队基于前期的研究基础，自主研制出了新型光-电镊原型系统（Photopyroelectric tweezer，PPT），可实现对不同材质、相态和形状物体的非接触、跨尺度、普适、多功能操控。

团队搭建的新型光-电镊操控系统，用于物体跨尺度、普适、多功能操控示意图

该光-电镊能采用比传统光镊小7个数量级的光强，产生比传统光镊大7个数量级的操控作用力，进而成功实现体积范围跨越10个数量级的液滴（1皮升至10毫升）操控，并实现细胞离子通道、单个细胞到细胞聚集体的不同尺度操控，为微型机器人、类器官、组织工程和神经调控等重点前沿科技领域研究提供全新工具和方法，其应用前景广阔。

新型光-电镊原型系统 研究团队供图

研发团队自主研发的高效光-电转换器 研究团队供图

团队自主研发的具有高效光热释电性能的高分子薄膜 研究团队供图

探索光调控技术新突破

光镊是采用以芯片为基础的光子共振捕获技术的光阱,能对纳米至微米级的粒子进行操纵和捕获，利用NanoTweezer显微镜纳米光镊转换装置可把现有显微镜升级改造为光镊。

美国物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于2018年获诺贝尔物理学奖的光镊（OT），为物理、生物和材料科学等研究提供了颠覆性技术。在过去几十年里，有多次诺贝尔奖与光镊操控技术相关。但传统光镊面临着系统复杂、光损伤、操控作用力小、操控颗粒范围窄、仅适用于透明物体等诸多挑战，严重阻碍其实际应用。

光镊为微观世界中“抓得着”物体提供了颠覆性的技术，但仍面临“光强、操控力小、适用操控对象少”等挑战。近年来，新型光操控技术利用光响应性智能材料生成的温度场、电场等，有效降低了传统光镊所需的光照强度，显著增加了操控作用力，但这类技术仍面临复杂系统、低灵活性、适应性差等关键难题，严重阻碍了其实际应用。

2016年，杜学敏团队开始在光-电智能材料和静电镊领域开展研究工作，基于前期工作基础，研究团队开发出全新的光-电镊。该光-电镊由两个核心元素组成：近红外激光光源和光-电转换器。其中，在光电转换器中，包含了研究团队自主研发的具有高效光热释电（光-电）性能的镓-铟液态金属颗粒掺杂的聚偏氟乙烯-三氟乙烯高分子薄膜，以及具有减阻、抗污染、消除导电介质形成电荷屏蔽三重功能的润滑层，通过两片聚甲基丙烯酸甲酯封装集成。相关成果此前已发表于《国家科学评论》《先进材料》《科学进展》《创新》等高水平期刊中。

实验结果表明，研发团队提出的新型光-电镊展现出了卓越、稳定的光电转换性能，仅需每平方毫米2毫瓦的光照强度下即可产生0.26伏的表面电势，光照强度增加可增强光-电场，即便将表面介质厚度改变范围为1厘米至10厘米，电导率调整范围为1.16毫西门子每厘米至91毫西门子每厘米，其光电性能仍能保持有效。

“传统的光镊需要的光强度较高，大约为每平方毫米一千万毫瓦，会存在光损伤的问题，在微观尺度的调控可能会灼伤甚至杀死细胞。相比之下，新型光-电镊所需要的光照强度很低，通过高性能的光-电转换器产生的介电泳力操控物体，以避免光强度对生物样本的损伤。”杜学敏介绍。

打开微观调控大门，应用前景广阔

结合了光场和电场的双重优势，新型光-电镊成功实现了不同场景下的多功能操控，展现出了前所未有的灵活性和适应性。

值得关注的是，相比传统的光镊，该光-电镊所需光照强度低7个数量级，却能产生操控力高7个数量级，成功实现了不同材质（聚合物、无机物和金属）、不同相态（气泡、液体和固体）、不同形状（球体、长方体、螺旋线）和活鱼卵等物体的非接触、普适性、程序化操控。

在应用层面，杜学敏团队研发的新型光-电镊不仅可以设计成便携式的操控平台用于宏观尺寸物体操控，还可与显微成像系统集成，研制成显微光-电镊操控系统。此外，光-电镊能实现对5微米至2.5毫米的固体颗粒、1皮升至10毫升液滴的跨尺度操控，具有强大的灵活性和适应性。光-电镊还可以应用于水凝胶微型机器人组装和任务执行、不同材质和尺寸颗粒的筛选、活细胞的组装、单个细胞的操控以及细胞刺激响应等微型机器人和生物医学领域。

“光-电镊克服了传统光镊的局限性，填补了传统光镊无法实现的宏观和微观物体操控之间的空白，为机器人、类器官、再生医学、神经调控等重点前沿科技领域提供新的工具与技术，并拓展其广阔应用前景。”杜学敏表示。

编辑 李璐 审读 温静 二审 王雯 三审 潘未末