Китайская научно-исследовательская группа добилась нового прогресса в области микро- и наноманипуляции. Совместная команда из Аньхойского университета и Научно-технического университета Китая успешно разработала трехмерные волоконно-оптические микрощипцы, интегрированные на торце оптического волокна, которые позволяют осуществлять высокоточное, малотравматичное и программируемое трехмерное управление объектами микронного масштаба. Соответствующие результаты были опубликованы в международном академическом журнале Nature.
Данное исследование направлено на решение давних проблем, существующих в современных технологиях микроуправления. Традиционные оптические пинцеты обладают преимуществами бесконтактности и высокой точности, но их выходная сила слаба, и они предъявляют высокие требования к прозрачности объекта и рабочей среде; механические, пневматические или гидравлические микрозахваты, хотя и обеспечивают большую силу, имеют сложную конструкцию системы и внешние приводные механизмы, что затрудняет их проникновение в узкие пространства размером в сотни микрон, такие как микрососуды и желчные протоки.
Исследовательская группа предложила метод гибридного изготовления с использованием фемтосекундного лазера для устройств на основе волокна, создав трехмерные волоконно-оптические микрощипцы на торце коммерческого оптического волокна. Это устройство интегрирует передачу света, фототермическое преобразование, реакцию мягких материалов и механический выход жестких микроструктур на конце одного волокна, превращая оптическое волокно не только в канал для передачи световых сигналов и энергии, но и в интегрированную платформу для выполнения механических операций микронного масштаба.
Принцип работы трехмерных волоконно-оптических микрощипцов аналогичен «микроскопической ловкой руке» на клеточном уровне. Внешний источник света, передаваемый по волокну к концевой микроструктуре, вызывает реакцию материала и деформацию микроструктуры, которые затем преобразуются в контролируемые движения раскрытия-закрытия и механический выход. Регулируя мощность входного света, исследователи могут непрерывно контролировать состояние раскрытия-закрытия микрощипцов и величину прилагаемой силы, реализуя прецизионные микрооперации «управление силой с помощью света».
Экспериментальные результаты показывают, что выходная сила новых микрощипцов более чем в сто тысяч раз превышает силу традиционных оптических пинцетов. Они способны не только точно манипулировать объектами микронного масштаба, но и выполнять сборку сложных микроструктур и микроскопический отбор проб в узких пространствах размером в сотни микрон. Соответствующая статья также демонстрирует потенциальное применение устройства в таких областях, как трехмерная прецизионная манипуляция отдельными клетками, сборка микроскопических механических конструкций и биомиметический отбор проб в стесненных условиях.
Фемтосекундная лазерная микро- и нанообработка является важной основой для данного достижения. Эта технология позволяет обрабатывать сложные трехмерные структуры в микронном и даже нанометровом масштабе и, в сочетании с многоматериальным композитным дизайном, формировать микросистемы с возможностями привода, реагирования и механического выхода. Для такого крошечного пространства, как торец оптического волокна, высокоточная обработка напрямую определяет, сможет ли устройство обеспечить стабильное раскрытие-закрытие, контролируемый захват и повторяемые операции.
Это достижение открывает новые технологические пути для таких направлений, как науки о жизни, малоинвазивная медицина, клеточные операции и передовое производство. В будущем, если трехмерные волоконно-оптические микрощипцы пройдут дальнейшую проверку на биосовместимость, стабильность, возможность массового производства и клинические сценарии, они могут найти применение в таких областях, как манипуляция отдельными клетками, микроскопический отбор проб, малоинвазивные эндоскопические инструменты и сборка сложных микроструктур.
Последующие исследования будут сосредоточены на надежности устройства, безопасности операций, адаптивности к различным биологическим образцам и степени системной интеграции. Трехмерным волоконно-оптическим микрощипцам все еще требуется дальнейшая проверка для реального медицинского или промышленного применения, однако их высокая выходная сила, миниатюризация и интеграция с оптическим волокном при прецизионном управлении на микронном масштабе уже задали новое направление для проектирования инструментов микро- и наноманипуляции.