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近日，色直播-国产直播 MEMS与智能微系统研究所张帅龙教授联合国内外多家色直播 单位，在《美国国家科色直播 院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）发表了题为“Dielectric Levitation Optical Tweezers for Powerful Mesoscale Biomanipulation”的研究论文。色直播-国产直播 为第一完成单位，色直播 张帅龙教授为论文通讯作者，2023级博士生刘皓冰为论文第一作者。该工作得到了谢会开教授、李家方教授的指导。

该研究提出了一种介电悬浮光镊（dielectric levitation optical tweezers，DL-OT），通过交流电场产生负介电泳力，使目标脱离固体基底并稳定悬浮，再利用光镊实现高精度横向操控。该方法有效缓解了传统光镊在操控大尺寸生物样本时面临的基底黏附、静摩擦、近壁流体阻力及光热损伤等问题，将光镊的典型操控尺度由1—10微米拓展至100—260微米，为多细胞球组装、类器官操控及中尺度生物制造提供了新的技术路径。

图1：介电悬浮光镊的工作原理及其在中尺度生物操控中的应用。

光镊利用聚焦激光产生光学梯度力，能够对微小颗粒、细胞及生物大分子进行非接触式捕获和操控，已广泛应用于单分子生物物理、单细胞分析及微纳组装等领域。然而，当操控对象的尺寸增大至数十甚至数百微米时，其与基底之间的黏附力、静摩擦力和近壁流体阻力显著增强，通常远超光镊所能提供的驱动力。单纯提高激光功率虽然能够增强光学作用力，却容易引起局部温升和光毒性，进而造成细胞失活及组织结构损伤。

针对此问题，研究团队提出“垂直悬浮—水平操控”的电—光协同机制。交流电场在微流控腔室内形成非均匀电场，并通过负介电泳力将颗粒或生物样本主动托离基底，从物理上消除固—固接触。随后，光镊只需提供较小的横向作用力，即可推动目标在低阻悬浮平面内移动。

该方法实现了介电场与光场的功能解耦：介电场负责垂直方向的悬浮与减阻，光场负责水平方向的精准定位与运输，从而将传统的基底接触受限操控转化为非接触式悬浮操控。

为准确描述颗粒在交流电场中的悬浮行为，研究团队基于麦克斯韦应力张量建立了介电泳受力模型，并通过三维有限元方法计算不同尺寸颗粒周围的电场分布和介电泳力。理论分析表明，颗粒的稳定悬浮高度由介电泳力、重力和浮力共同决定，并总体随颗粒尺寸增大而降低。

研究人员进一步对不同直径的聚苯乙烯微球开展实验，测得的悬浮高度与理论模拟结果保持良好一致，验证了模型的准确性。同时，团队系统研究了交流电压、频率及液体电导率对悬浮状态的影响，在保证稳定悬浮的基础上，兼顾了电解反应抑制和焦耳热控制。

图2：不同尺寸颗粒的介电悬浮实验、仿真结果及关键参数优化。

在介电悬浮构建的低阻环境中，研究团队成功操控了直径100微米的聚苯乙烯微球、直径200微米的SU-8微齿轮、HeLa细胞以及尺寸接近260微米的活体卤虫卵。

其中，当光镊作用于微齿轮边缘时，可通过非中心作用力产生光学转矩，驱动微齿轮完成旋转运动，表明该平台不仅能够实现目标的平移，还具备对复杂、不规则样本进行姿态调整和多自由度操控的潜力。经DL-OT操控后的卤虫卵能够正常孵化，其孵化率与未经操控的对照组无显著差异，进一步验证了该方法的生物相容性。

为验证主动介电悬浮相较于传统被动抗黏附方法的优势，研究团队系统比较了普通基底、特氟龙涂层、聚乙二醇涂层以及介电悬浮光镊等多种操控方式。

传统抗黏附涂层能够在一定程度上降低样本与基底之间的黏附，但目标仍需与基底保持接触，无法完全消除静摩擦和近壁流体阻力。同时，涂层性能还可能因蛋白吸附和生物污染而逐渐下降。与之相比，DL-OT通过主动悬浮从物理上消除固—固接触，在长期捕获稳定性、运动平滑性、所需激光功率、样本形变及细胞活性等方面均表现出明显优势。

在操控直径约50微米的多细胞球时，传统抗黏附涂层需要约150毫瓦的激光功率，且细胞球出现明显拉伸和光热损伤；DL-OT仅需约15毫瓦即可实现稳定移动，并将细胞球的相对形变由超过25%降低至2%以内。对于5—20微米的小尺寸目标，在相同激光强度下，DL-OT可将最大操控速度提高约40%。

图3：介电悬浮光镊与传统抗黏附涂层的比较。

在此基础上，研究团队进一步将DL-OT用于多细胞球组装和患者来源类器官的温和操控。团队利用DL-OT将两个HL-60多细胞球移动至指定位置，使其接触并融合。融合后的细胞球在芯片内继续培养24小时，仍保持完整的三维结构和较高的细胞活性；经进一步培养，组装体能够持续生长。

研究团队还实现了对直径约140微米患者来源肿瘤类器官的稳定运输。经操控并在芯片内培养后，类器官仍表现出良好的生物活性，说明该技术可将光学操控从单颗粒和单细胞层面进一步拓展至多细胞球、类器官等组织级生物结构。

图4：活体卤虫卵的温和操控，以及多细胞球的定向移动、融合和芯片内培养。

该研究通过主动介电悬浮消除目标与基底之间的接触，再利用光场完成精准操控，形成了“介电悬浮负责减阻、光学力负责导航”的电—光协同模式。该方法同时缓解了基底黏附、静摩擦、近壁流体阻力和光热损伤等问题，使光镊由传统微尺度操控工具进一步发展为中尺度生物操控和组装平台。

未来，该技术有望与全息光镊、智能图像识别、自动路径规划及并行控制技术相结合，实现多个细胞球或类器官的自动化、高通量操控，为组织工程、发育生物学、器官芯片、疾病模型构建及个性化药物筛选提供新的技术支撑。

论文详情：H. Liu, R. Fu, F. Nan, Z. Guo, M. Zhao, Y. Zhang, S. Guo, H. Li, K. Chen, B. Chu, K. Lou, H.P. Zhang, H. Xie, Z. Yang, J. Li, J.M. Cooper, & S. Zhang, Dielectric levitation optical tweezers for powerful mesoscale biomanipulation, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (29) e2533103123. (2026)

论文链接：//doi.org/10.1073/pnas.2533103123.