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。传统光镊利用超强聚焦激光（~ 1×10⁷ mW mm^-2）产生的光梯度力（皮牛，~ 10^-12 N）来操控微纳颗粒，但存在系统复杂、光损伤、作用力小、操控范围窄、仅适用于透明物体等问题。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，同时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，严重阻碍其实际应用。

  相关成果以“Photopyroelectric tweezer for versatile manipulation”为题，发表在国际期刊The Innovation （IF: 33.2）上。该光-电镊基于铁电高分子材料构建的光-电转换器所产生光-电场，光强比传统光镊小7个数量级，但操控作用力比传统光镊大7个数量级，这使得它能成功操作体积范围跨越10个数量级的液滴（1 pL~10 mL），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。

图1 光-电镊（PPT）的设计。（A-C）PPT操控系统包含近红外激光光源和光-电转换器，其中光-电转换器由LMPs/P(VDF-TrFE)高分子薄膜、润滑层和两片PMMA封装集成；（D）PPT在光照下能稳定输出电压；（E）随着激光功率密度从2 mW mm²增加到111 mW mm²，输出电压从0.26 V增加到3.34 V；（F）光-电转换能力随表面介质厚度从1 cm增加到10 cm仍有效维持；（G）PPT可在非电导性介质中操纵5 μm的SiO₂颗粒、1 pL水滴和10 mL水滴；（H）PPT在导电性介质中操纵活鱼卵（直径1 mm）和程控1 mm直径的塑料球。

图2 PPT操控机制。（A-C）在非导电介质中，PPT操纵物体的受力F_e, x、F_e, y和F_e，z随着L（辐照光斑中心到物体中心的 x 轴距离）的变化而变化；（D-F）在导电介质中，F_e，x和F_g决定物体运动动力学；（G）不同介电常数物体、物体在非导电介质和导电介质中的不同位置、不同导电率介质与物体运动速度间的关系。

图3 PPT的跨尺度物体操控。（A）PPT可组装水凝胶机器人，穿越迷宫，并在填充有硅油介质的封闭微流控芯片中运输红色固体货物；（B，C）PPT微观操控系统可编程地操控硅油介质中5 μm直径的聚苯乙烯颗粒；（D，E）PPT操控物体的普适性及与相关技术对比的优越性。

图4  PPT在机器人和生物医学领域的应用。PPT可用于物体筛分、水凝胶珠组，且可以无创组装HUVEC和MSC细胞，在细胞培养基中无创操控活的PC 12细胞。在细胞培养基中操控细胞离子通道，刺激细胞钙流响应。

  文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675824001802

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