形态发生描述了一个生物体或是一个身体结构发展形态的生物过程。生物形态的形成是许多复杂的生物，生化以及力学过程协同作用的结果。从简单却又精密的单细胞到更为复杂的有机生命体，生物形态大相径庭，然而大量研究却揭示了其演化过程中存在着许多共通的原理。从力学角度出发，不稳定性原理被认为在生物生长中的形态演化现象至关重要。解密其蕴含的原理，不仅有利于人类拓宽对自然的认知，更有助于如仿生设计，生物医疗和力学理论等领域的发展。现今研究多集中于纯理论计算与模型分析，缺乏构建结构进行模拟的手段来协同理论发展的方法。

  近期，来自加州大学洛杉矶分校贺曦敏团队报道了一利用四维打印解密生物生长中形态演化的方法。所谓四维打印，是一种以三维打印为基础，结合刺激响应性材料，从而引入“时间”作为第四维度的一种新兴的增材制造技术。研究人员结合刺激响应型水凝胶（stimuli-responsive hydrogel）和数字光处理三维打印技术（digital-light processing（DLP）-based 3D printing）制备了一种非匀质的桶形核壳结构。该结构可实现在水中的非均匀生长。利用核材料与壳材料的刺激响应行为的不匹配所引发的力学上的不稳定性（例如褶皱、裂纹等），该结构成功模拟了南瓜属植物果实在生长成熟过程中表面纹理的形成及形态演化，并初步解密了其背后力学上的原理。这一技术不仅可用于研究“南瓜”结构，并且对于制备仿生结构及对其演化过程的研究有着广泛的适用性。

图一. “南瓜”结构的四维打印设计与生长过程演示

  如图一所示，研究人员使用了自主研发搭建的三维打印机，利用光引发聚合的原理，逐层打印了具有湿度和酸碱度响应性的聚丙烯酸水凝胶网络结构。通过控制打印图案与打印时间，使得打印得到的水凝胶结构具有一个相对刚性的核以及一个柔软的壳，分别模仿南瓜的芯与果肉。在外界条件的刺激下，核与壳的刺激响应性的差异而产生应力，导致了结构力学上的不稳定性，从而诱发了周期性的瓣状结构的形成。该“南瓜”的生长过程与真实的果实成熟过程相似。

图二. “南瓜”表面形态的调控及对应模拟

  通过调节打印参数从而控制材料的响应行为与机械性能等，可发现“南瓜”结构表面形貌特征，即表面周期性纹理的数量，受制于内外层材料在膨胀率和模量上的不匹配程度，以及核与壳的半径比例。如图三所示，研究人员还对于“南瓜”结构表面形貌的动态形成过程进行了研究并分析，在若干假设的基础上建立模型用于解释其背后的原理。

图三. “南瓜”结构形成过程及理论研究

  此外，如图四所示，该工作还展示了利用四维打印制备多种植物仿生结构的可能性，包括卷心菜叶，菊花花瓣，玫瑰花叶以及紫荆花豆荚，以此展示了以四维打印仿生结构为工具开展生物力学研究这一方法的广泛适用性。

图四. 多种仿生结构的形态演化

  这一工作提出了一种以四维打印制备仿生结构为手段研究生物生长种的形态演化的方法。该工作打印了一种“南瓜”结构，实现了对其的形貌调控并建立了模型对其进行理论分析。因此拓宽了对原本生物结构本身的认知并展示了该方法的可行性，对于生物研究，软机器人以及增材制造领域有着潜在的应用。

  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b19730) 上。论文第一作者为加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系博士生吴东和硕士生宋佳麒，通讯作者为加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系贺曦敏教授。此工作与亚利桑那州立大学机械与航天工程系姜汉卿教授及其博士生翟子锐合作完成。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b19730

  课题组网页：http://www.seas.ucla.edu/xhe-lab/index.html