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

  近期，來自加州大學洛杉磯分校賀曦敏團隊報道了一利用四維打印解密生物生長中形態(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)合刺激響應性材料，從而引入“時間”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)可實現(xiàn)在水中的非均勻生長。利用核材料與殼材料的刺激響應行為的不匹配所引發(fā)的力學上的不穩(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在生長成熟過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)，并且對于制備仿生結(jié)構(gòu)及對其演化過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)計與生長過程演示

  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，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性的聚丙烯酸水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過控制打印圖案與打印時間，使得打印得到的水凝膠結(jié)構(gòu)具有一個相對剛性的核以及一個柔軟的殼，分別模仿南瓜的芯與果肉。在外界條件的刺激下，核與殼的刺激響應性的差異而產(chǎn)生應力，導致了結(jié)構(gòu)力學上的不穩(wěn)定性，從而誘發(fā)了周期性的瓣狀結(jié)構(gòu)的形成。該“南瓜”的生長過程與真實的果實成熟過程相似。

圖二. “南瓜”表面形態(tài)的調(diào)控及對應模擬

  通過調(diào)節(jié)打印參數(shù)從而控制材料的響應行為與機械性能等，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，研究人員還對于“南瓜”結(jié)構(gòu)表面形貌的動態(tài)形成過程進行了研究并分析，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)為工具開展生物力學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)，實現(xiàn)了對其的形貌調(diào)控并建立了模型對其進行理論分析。因此拓寬了對原本生物結(jié)構(gòu)本身的認知并展示了該方法的可行性，對于生物研究，軟機器人以及增材制造領(lǐng)域有著潛在的應用。

  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洛杉磯分校材料科學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洛杉磯分校材料科學與工程系賀曦敏教授。此工作與亞利桑那州立大學機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：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html