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  形態(tài)發(fā)生描述了一個(gè)生物體或是一個(gè)身體結(jié)構(gòu)發(fā)展形態(tài)的生物過(guò)程。生物形態(tài)的形成是許多復(fù)雜的生物，生化以及力學(xué)過(guò)程協(xié)同作用的結(jié)果。從簡(jiǎn)單卻又精密的單細(xì)胞到更為復(fù)雜的有機(jī)生命體，生物形態(tài)大相徑庭，然而大量研究卻揭示了其演化過(guò)程中存在著許多共通的原理。從力學(xué)角度出發(fā)，不穩(wěn)定性原理被認(rèn)為在生物生長(zhǎng)中的形態(tài)演化現(xiàn)象至關(guān)重要。解密其蘊(yùn)含的原理，不僅有利于人類(lèi)拓寬對(duì)自然的認(rèn)知，更有助于如仿生設(shè)計(jì)，生物醫(yī)療和力學(xué)理論等領(lǐng)域的發(fā)展。現(xiàn)今研究多集中于純理論計(jì)算與模型分析，缺乏構(gòu)建結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的手段來(lái)協(xié)同理論發(fā)展的方法。

  近期，來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一利用四維打印解密生物生長(zhǎng)中形態(tài)演化的方法。所謂四維打印，是一種以三維打印為基礎(chǔ)，結(jié)合刺激響應(yīng)性材料，從而引入“時(shí)間”作為第四維度的一種新興的增材制造技術(shù)。研究人員結(jié)合刺激響應(yīng)型水凝膠（stimuli-responsive hydrogel）和數(shù)字光處理三維打印技術(shù)（digital-light processing（DLP）-based 3D printing）制備了一種非勻質(zhì)的桶形核殼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在水中的非均勻生長(zhǎng)。利用核材料與殼材料的刺激響應(yīng)行為的不匹配所引發(fā)的力學(xué)上的不穩(wěn)定性（例如褶皺、裂紋等），該結(jié)構(gòu)成功模擬了南瓜屬植物果實(shí)在生長(zhǎng)成熟過(guò)程中表面紋理的形成及形態(tài)演化，并初步解密了其背后力學(xué)上的原理。這一技術(shù)不僅可用于研究“南瓜”結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于制備仿生結(jié)構(gòu)及對(duì)其演化過(guò)程的研究有著廣泛的適用性。

圖一. “南瓜”結(jié)構(gòu)的四維打印設(shè)計(jì)與生長(zhǎng)過(guò)程演示

  如圖一所示，研究人員使用了自主研發(fā)搭建的三維打印機(jī)，利用光引發(fā)聚合的原理，逐層打印了具有濕度和酸堿度響應(yīng)性的聚丙烯酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制打印圖案與打印時(shí)間，使得打印得到的水凝膠結(jié)構(gòu)具有一個(gè)相對(duì)剛性的核以及一個(gè)柔軟的殼，分別模仿南瓜的芯與果肉。在外界條件的刺激下，核與殼的刺激響應(yīng)性的差異而產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)力學(xué)上的不穩(wěn)定性，從而誘發(fā)了周期性的瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)的形成。該“南瓜”的生長(zhǎng)過(guò)程與真實(shí)的果實(shí)成熟過(guò)程相似。

圖二. “南瓜”表面形態(tài)的調(diào)控及對(duì)應(yīng)模擬

  通過(guò)調(diào)節(jié)打印參數(shù)從而控制材料的響應(yīng)行為與機(jī)械性能等，可發(fā)現(xiàn)“南瓜”結(jié)構(gòu)表面形貌特征，即表面周期性紋理的數(shù)量，受制于內(nèi)外層材料在膨脹率和模量上的不匹配程度，以及核與殼的半徑比例。如圖三所示，研究人員還對(duì)于“南瓜”結(jié)構(gòu)表面形貌的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程進(jìn)行了研究并分析，在若干假設(shè)的基礎(chǔ)上建立模型用于解釋其背后的原理。

圖三. “南瓜”結(jié)構(gòu)形成過(guò)程及理論研究

  此外，如圖四所示，該工作還展示了利用四維打印制備多種植物仿生結(jié)構(gòu)的可能性，包括卷心菜葉，菊花花瓣，玫瑰花葉以及紫荊花豆莢，以此展示了以四維打印仿生結(jié)構(gòu)為工具開(kāi)展生物力學(xué)研究這一方法的廣泛適用性。

圖四. 多種仿生結(jié)構(gòu)的形態(tài)演化

  這一工作提出了一種以四維打印制備仿生結(jié)構(gòu)為手段研究生物生長(zhǎng)種的形態(tài)演化的方法。該工作打印了一種“南瓜”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的形貌調(diào)控并建立了模型對(duì)其進(jìn)行理論分析。因此拓寬了對(duì)原本生物結(jié)構(gòu)本身的認(rèn)知并展示了該方法的可行性，對(duì)于生物研究，軟機(jī)器人以及增材制造領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b19730) 上。論文第一作者為加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系博士生吳東和碩士生宋佳麒，通訊作者為加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系賀曦敏教授。此工作與亞利桑那州立大學(xué)機(jī)械與航天工程系姜漢卿教授及其博士生翟子銳合作完成。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b19730

  課題組網(wǎng)頁(yè)：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html