亚飞升级精准递送、纳牛级力学操控！《Nature Reviews Methods Primers》详解多功能单细胞显微操作黑科技
发布日期：2026-10-22
单细胞尺度的精准操控与纳米级精密制造，是生命科学与纳米技术交叉领域长久以来的技术难关。如何在不严重损伤活细胞的前提下，完成细胞触碰、物质递送、胞内取样，同时实现微纳结构的高精度打印，限制着单细胞组学、细胞力学、微纳加工等方向的进一步突破。
多功能单细胞显微操作系统即流体力显微技术（FluidFM）的出现打破了这一困境，设备融合原子力显微镜的力学传感优势与微流控的液体操控能力，集多重功能于一身，成为横跨生物、材料两大领域的强大微操作平台。本文基于近期发表在《Nature Reviews Methods Primers》的权威综述，对流体力显微技术的工作原理、探针体系、核心实验模式与多元应用展开梳理，同时探讨这项技术现存的发展机遇。
什么是流体力显微镜FluidFM？
普通原子力显微镜（AFM）只能实现力学测量与表面形貌扫描；而流体力显微镜 FluidFM 使用带有内置微通道的空心悬臂探针，外接压力控制器。力学上可实现亚纳牛‑微牛级别作用力的精准施加与检测；流体层面依靠正压喷射亚飞升‑皮升级微量液体，依靠负压完成吸附、抽吸取样；设备搭配倒置光学显微镜，能够实现亚微米级精度实时可视化观测。
设备分为两大版本：普通手动 FluidFM 适合小规模、探索性实验，方便研究者灵活调整实验方案；机器人 FluidFM（OMNIUM/BOT）属于自动化高通量机型，减少人工操作干预，更适合大批量、可重复的标准化实验。
核心技术：FluidFM探针
FluidFM 探针主要分为三类，分工各有不同。无尖探针末端带有大圆孔，多用于细胞粘附测试、微米级液体分配；金字塔形探针尖端开设微小孔洞，主要用于细胞膜穿刺、高精度纳米打印；圆柱形探针尚处于原型开发阶段，适配膜片钳记录、细胞器注射等特殊场景。生物相关实验必须对探针做防污涂层处理，抑制蛋白、细胞的非特异性黏附。
四个主要的实验模式：
局部分配，正压喷射：通过施加正压，将通道内部的液体从针尖挤出。既可以向单个活细胞定点递送药物、质粒、病毒等物质，也可开展 2D 图案制备、3D 纳米打印，实现金属、高分子、各类生物分子的定点沉积。
负压抓取，拾取‑释放：施加负压，依靠负压在探针尖端吸附细胞、胶体微球。既可以捕获完整活细胞，定量测量细胞与基底之间的粘附力；也可以抓取胶体微球充当压头，完成细胞力学压痕测试；实验结束切换为正压，即可释放被测样品。
细胞膜穿刺，注射 & 活体微创取样：利用探针尖端刺穿细胞膜甚至核膜。施加正压可以向活细胞导入 DNA、蛋白、CRISPR‑Cas 复合物，甚至完整线粒体、活细菌；施加负压能够抽取少量细胞质，细胞可维持存活。抽取得到的微量样本可直接开展单细胞转录组、代谢组测序。该技术可对同一个活细胞先进行扰动刺激，再读取分子组学信息。
离子电流，力控电生理：在探针内部插入电极，结合膜片钳技术开展实验。和传统玻璃微吸管相比，该设备自带力反馈，即便针对跳动的心肌细胞，也能够维持探针与细胞膜的稳定接触，记录离子通道电信号，同时支持扫描离子电导成像、纳米孔检测细胞分泌分子。
主要应用方向：
单细胞生物力学研究：直接抓取完整活细胞，定量检测细胞与基底的粘附力；结合荧光成像，将力学信号和细胞生化反应、膜张力、牵引力图谱进行关联分析。
单细胞显微操作：向难转染细胞注射大分子、细胞器；对活细胞开展微创取样测序；还可以向真菌内部注射活细菌，人工构建胞内共生模型。
力控电生理检测：完成心肌细胞电活动记录、神经元成像、单细胞分泌分子原位检测。
纳米材料与微纳打印方向：一方面可实现 2D 纳米图案化，按照预设运动轨迹，定点沉积小分子、纳米颗粒、高分子等各类打印墨水。另一方面开展 3D 微纳打印，依靠力反馈感知材料生长状态，逐层打印金属线圈、聚合物微结构，获得纳米级加工精度。
展望未来发展
探针迭代升级是技术发展的重要方向，开发多通道探针、自感知压阻探针，摆脱传统激光检测约束；开发长效抗污染探针涂层，降低非特异性吸附干扰。借助人工智能实现自动化，通过深度学习识别细胞、亚细胞结构，自动完成探针定位、注射、取样流程，进一步提升实验通量。
拓展技术的应用场景，从传统二维培养细胞，拓展到类器官、组织切片体系，深耕细胞器操控相关研究，为单细胞精准治疗提供技术支撑。推进多模态技术联用，将该设备与荧光寿命成像、牵引力显微镜、质谱技术结合，同步采集力学、成像、分子组学多维数据。
FluidFM 流体力显微操作系统，凭借力学感知与双向微流控一体化的能力，将单细胞力学分析、活细胞微创显微注射、活细胞原位取样测序、力控电生理、微纳打印多项功能集成于单一平台，解决多项传统设备无法兼顾的实验痛点，为解析细胞微观行为、制备微纳功能结构提供不可替代的实验工具。
