导语

光镊（Optical Tweezers）——这项曾获诺贝尔物理学奖的技术，正以前所未有的精度操控细胞、调控功能、构建智能生物微机器人。来自暨南大学辛洪宝教授的最新综述发表于《Journal of Innovative Optical Health Sciences》，系统总结了光镊从基本原理到细胞操控、功能调制，再到光学驱动的活细胞微机器人的前沿进展。本文为其精华解读。

Ting Pan, Aoquan Bi, Baojun Li, and Hongbao Xin.Optical manipulation-based cell modulation and bio-microrobot. Journal of Innovative Optical Health Sciences Online Ready Open Access

https://doi.org/10.1142/S1793545826300120

正文

一、光镊的基本原理与平台演进

光镊利用光梯度力与散射力的平衡，实现微粒的稳定捕获（图2）。

●梯度力：将粒子拉向光强最高点

●散射力：沿光束方向推动粒子

图2：光镊的物理机制。(a) 散射力：沿光束传播方向推动微粒；(b) 梯度力：将微粒拉向光强最高区域；(c) 简谐弹簧模型：微粒在光阱中受到与位移成正比的恢复力。

二、五大光镊平台对比

图3：五种光镊平台示意图。(a) 传统光镊（COTs）：单光束高数值孔径物镜聚焦；(b) 扫描光镊（SOTs）：声光偏转器快速扫描实现多陷阱；(c) 全息光镊（HOTs）：空间光调制器生成数百个独立光阱；(d) 光纤光镊（FOTs）：光纤锥尖端产生聚焦光场；(e)表面等离激元光镊（POTs）：金属纳米结构增强近场捕获；(f) 光子晶体/微腔光阱：高Q值谐振腔实现低功率纳米级操控。

三、细胞操控：从单细胞到活体

●单细胞标记与分析：光纤光镊共捕获细菌与上转换纳米颗粒，实现单细菌标记（图5a-b）

●并行操控与组装：光纤光镊捕获并组装大肠杆菌而形成的生物光子波导（图6a），全息光镊实现多细胞图案化排列（图6b），光-热-流多物理场耦合操控构建三维细胞微群（图6c）

●活体操控：在活体小鼠耳廓毛细血管内捕获红细胞（图7a），在斑马鱼尾部组装红细胞波导用于pH检测（图7c）

l亚细胞操控：热等离激元与光纤光镊捕获相结合的方法实现细胞膜可逆穿孔，提取并操纵细胞内的线粒体、微丝（图8c-d）

图5：光镊用于单细胞标记与分析。(a) 光纤光镊共捕获单细菌与上转换纳米颗粒（UCNPs）；

(b) 不同长度细菌的实时反射光信号强度变化；(c) 非接触捕获游动细菌的动态分析；(d) 红细胞（RBC）力学测量的两种光镊拉伸方式（I：单珠固定法；II：双珠对拉法）。

图6：光镊对细胞群体的并行操控。(a) 大肠杆菌组装而成的生物光子波导；(b) 光子晶体增强光镊实现人多能干细胞图案化排列；(c)光-热-流多物理场耦合操控构建三维动态细胞微群；(d) 全息光镊与微流控集成用于单细胞分选；(e) 全息光镊将三组酵母细胞精准配对；(f) 基于光子纳米喷流的高通量片上光镊。

图7：光镊在活体内的细胞操控。(a) 活体小鼠耳廓皮下毛细血管内捕获单个红细胞；(b) 斑马鱼尾部捕获红细胞并测量血流剪切力；(c) 光纤光镊在斑马鱼血管内组装红细胞波导，用于血液pH检测。

图8：亚细胞结构的精准操控。(a) 全息光镊在活体斑马鱼中对细胞核进行可控变形（球形→椭球形）；(b)热等离激元结合光纤光镊实现单细胞原位可逆穿孔示意图；(c) 光纤光镊经穿孔微孔提取并拉伸细胞内微丝（54.8 μm/6 s）；(d) 光纤光镊捕获、移动并释放线粒体样细胞器。

四、细胞功能调制：从物理操控到生物激活

光镊不再只是“搬运工具”，更成为机械信号刺激的工具：

●微藻变形与导航：光子纳米喷流通过激活细胞膜表面光敏感离子通道调控眼虫细胞形变（图10a）

●神经调控：光机械“生物飞镖”激活细胞膜表面的Piezo1机械敏感离子通道，诱导钙内流与轴突生长（图11b）

●免疫激活：近红外光热-光力双模态光学控制技术通过激活细胞膜表面热敏感离子通道，激活巨噬细胞，精准靶向清除细菌、癌细胞碎片等生物威胁物（图12a）

●干细胞抗衰老：全息光镊自动提取年轻线粒体并移植至衰老干细胞，上调SIRT1/TERT抗衰老基因（图12b）

图10：光操控调控微藻细胞功能。(a) 光子纳米喷流（PNJs）精准调控眼虫（E. gracilis）的变形与导航；(b) 光热调节增强小球藻（C. pyre）光合作用活性（氧气与ATP产量分别提升46%和103%）；(c) 光镊操控硅藻细胞分裂过程并测量胞内粘度。

图11：光镊用于神经调控。(a) “神经元信标”：激光不对称照射诱导大鼠皮质神经元轴突转向生长；(b) 光机械“生物飞镖”：提取的花粉尖端经光散射力推进，激活Piezo1通道诱发钙内流，促进轴突伸长（18小时内增长~20 μm），并在活体斑马鱼头部实现神经元激活；(c) 斑马鱼耳石光学操控：施加光力诱导尾部翻转与代偿性眼球运动。

图12：光镊调控免疫细胞与干细胞命运。(a) 光热-光力双模态光学控制激活巨噬细胞：- (aⅠ) 单细胞级精准导航与激活；- (aⅡ) 机制：局部光热激活温度敏感膜离子通道→钙内流→线粒体代谢增强→ROS生成→伪足伸出；- (aⅢ) 斑马鱼肠道内12分钟内清除细胞碎片；(b) 全息光镊自动提取胎儿间充质干细胞（fMSC）线粒体并移植至衰老成体MSC（aMSC）：- (bII) 移植后24–72小时抗衰老基因SIRT1与TERT显著上调。

五、光学驱动的活细胞微机器人

以活细胞为“机体”，光为“遥控器”：

●细菌微机器人：光控大肠杆菌旋转微马达，红光/远红光切换货物装载与释放（图13）

●微藻微机器人：光控衣藻旋转清除血栓，光水动力活细胞“微马达镊子”非接触输送药物（图14b-c）

●硅藻微机器人：三臂硅藻微机器人在光镊操控下旋转捕获100 nm病毒颗粒（图14d）

●基于眼虫的软体生物微机器人：蓝光诱导眼虫变形和精准导航，可穿越狭窄多变的微通道、在肠道组织中实现靶向药物递送、精准光动力治疗（图14e）

●红细胞微机器人：扫描光镊驱动红细胞旋转微马达阵列，在活体构建“红细胞微路由”分选血小板与白细胞（图15）

图13：光控细菌微机器人。(a) 光控三维细菌驱动微马达：基因工程大肠杆菌表达光驱质子泵，全息光镊调控旋转速度；(b) 红光/远红光可控货物装载与释放：光响应分子开关实现细菌微机器人的按需递送。

图14：光学驱动的微藻微机器人。(a) 趋光性驱动衣藻（C. reinhardtii）递送抗生素：紫外光切断光裂解连接体，按需释放药物；(b) 光力控制衣藻机器人清除生物威胁（如血栓）；(c) 双衣藻“生物微马达镊子”：非接触输送药物至单细胞；(d) 三臂硅藻机器人（Diatombot）：旋转光场诱导水动力，捕获100 nm病毒颗粒；(e) 光控眼虫软体机器人（Ebot）：蓝光诱导变形，穿越微通道、靶向给药、光动力治疗。

图15：光驱红细胞微机器人。(a) 光学涡旋驱动的红细胞微马达：在斑马鱼尾部血管内组装两个红细胞，完成360°旋转（0.48秒/圈）；(b) 在体“;红细胞微路由”：可编程分选血小板（送至损伤处止血）与白细胞（免疫清除）。

六、挑战与未来

●光毒性：需平衡捕获力与细胞活性，近红外窗口（800–1100 nm）为优选

●穿透深度：当前仅限浅表组织（~100 μm），光纤光镊有望突破

●智能化：机器人辅助全息光镊实现自动识别、轨迹规划与旋转控制（图9）

●多模态融合：光-磁-声协同驱动，AI增强实时追踪与力反馈

图9：机器人辅助全息光镊系统。(a) 系统光路示意图；(b) 双光阱旋转单个酵母细胞实验。

结语

光镊技术正经历从“被动捕获”到“主动调制”再到“智能微机器人”的三级跨越。它不仅让我们能在单细胞甚至亚细胞尺度上“拨动生命”，更开启了无创、高精度的细胞治疗与在体微手术新纪元。

本文为2026年最新综述，通讯作者为暨南大学辛洪宝教授团队，欢迎引用与交流。

通讯作者简介

辛洪宝，暨南大学教授，物理与光电工程学院副院长、纳米光子学研究院常务副院长，国家级青年人才，一直从事微纳光学操控与生物光子学的基础研究。研究方向为光镊与光学操控、微马达与纳米机器人、等离激元生物探测、细胞功能调控等。

课题组目前有岗位空缺（教授、副教授等）。

更多详情见www.hbxinlab.com

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