微型自主研究站LabSat：用于纳米卫星生物实验的微重力与辐射环境生物响应研究平台

为解决空间生物学研究中ISS实验成本高、周期长的问题，Patrycja Sniadek团队开发了2U体积的LabSat微型实验室载荷，首次实现真菌（Fusarium culmorum）与植物种子（Lepidium sativum）在LEO轨道的同步培养。该平台集成玻璃/3D打印lab-chip、光学检测系统及PID温控模块，成功验证了38天样本储存与14天微重力实验的可行性，为低成本空间生物研究提供了标准化解决方案。

　　

随着深空探索的推进，理解微重力与宇宙辐射对生命体的影响成为关键科学问题。传统国际空间站（ISS）实验面临高昂成本与漫长排队周期，而地面模拟设备如随机定位机（RPM）和旋转壁容器（RWV）无法完全复现太空环境。在此背景下，立方星（CubeSat）生物实验室因其低成本、可定制化优势崭露头角，但现有系统多局限于单一生物样本研究，且长期培养稳定性存疑。

波兰弗罗茨瓦夫理工大学的Patrycja Sniadek团队在《Scientific Reports》发表研究，提出首个支持多物种同步实验的2U立方星实验室载荷LabSat。该系统突破性地整合了玻璃蚀刻真菌培养芯片与3D打印种子培养微孔，配备自适应CMOS光学检测、闭环温控及微流控培养基循环系统，在550公里太阳同步轨道成功实现14天连续实验，为空间生物学研究提供了模块化新范式。

关键技术方法包括：1）基于硼硅酸盐玻璃湿法蚀刻与低温键合工艺制备多通道真菌培养lab-chip；2）光固化3D打印技术构建种子培养微孔结构；3）PID算法控制的柔性PCB加热器维持20-30°C培养温度；4）电磁调焦CMOS相机实现8μm分辨率显微观测；5）铝制真空保温层确保1000 hPa恒压环境。

研究结果

生物样本适应性

选用Fusarium culmorum真菌孢子与Lepidium sativum种子，通过脱水保存耐受38天发射前等待期。地面RPM/RWV模拟实验显示真菌菌丝体在微重力下生长增强，而种子因重力感应细胞（statocytes）功能紊乱出现非定向萌发。

多材料lab-chip设计

玻璃真菌芯片包含7个20μm深连接通道实现气液交换，3D打印微孔通过侧向开孔维持培养基循环。轨道图像证实种子外壳膨胀破裂，验证了500μl/12h的脉冲式灌溉有效性。

环境控制系统性能

PID温控使培养区温度波动<±1°C（真菌27°C/种子15°C），BME280传感器记录到因日照变化导致的0.5°C舱内波动。辐射剂量计（RADFET）数据显示铝制热层有效屏蔽了轨道辐射。

讨论与意义

该研究首次在单次任务中验证了异质生物样本（真菌/植物）的空间共培养可行性，其玻璃-树脂复合芯片架构为后续多学科实验提供了设计模板。尽管因通信中断未能获取完整生长数据，但系统在发射振动（10G）、真空（10^-4 Pa）及温度骤变（-40至50°C）下的稳定表现，证实了立方星平台开展长期生物实验的潜力。作者建议未来研究采用聚酰亚胺（Kapton）布线简化集成，并通过UHF频段提升数据回传效率。

此项工作标志着空间生物学研究从ISS依赖向自主化、微型化实验平台的转型，为月球/火星基地的生物支持系统开发积累了关键技术参数。特别是3D打印微流控部件的成功应用，为地外环境中按需制造生命维持设备开辟了新思路。