形态发生（Morphogenesis） 是指大自然利用一系列特定材料组建成具有不同结构和功能物质的机制。虽然自然界中有很多形态发生的例子——如细胞分化、胚胎发育和细胞骨架的形成，但是在合成材料中对这一现象的研究却非常少。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人员利用电子断层扫描技术、流体动力学理论和机器学习技术来观察软聚合物并取得了进展。
这项研究首次证实了在纳米尺度下的合成材料中能进行形态发生机制。该研究由材料科学与工程学教授Qian Chen、机械科学与工程学教授Jie Feng和化学与生物分子工程学教授Xiao Su领导，研究成果发表在《科学进展》杂志上。
这项研究的主要作者、韩国全南大学（Chonnam National University in South Korea）石化材料工程教授、前伊利诺伊大学博士后Hyosung An说: “家里的水净化过滤器就好比是带孔的单膜，只不过当我们使用电子断层扫描放大观察后，它们就复杂得多了。通过从可旋转阶段捕捉到的样品膜图像，我们能以亚纳米分辨率重建其完整的3D 形态。”
领导了该项研究实验部分的Chen说：“通过多角度成像，研究人员能以前所未有的空间分辨率观察到错综复杂的3D膜结构——包括所有的皱褶、内部空隙和网络。这些结构是如此复杂，以至于使用半径长度这些传统的形状术语来描述，显得捉襟见肘。”
在不同的单体浓度下层析重建三维纳米膜结构。（A）间苯二胺（MPD，m-phenylenediamine）和三苯甲酰氯（trimesoyl chloride，TMC）的界面聚合产生皱褶的聚酰胺膜。(B) 根据像素灰度强度着色的聚酰胺膜的全三维重建模型 | 参考文献[2]
为了帮助团队成员了解膜的复杂性质，John Smith 和Lehan Yao开发了一个基于机器学习的工作流程来将膜的结构参数数字化。人的工作立刻就取得了成效。
“我们可以看到合成膜和生物系统之间的形态相似性。”Feng说，他与博士后Bingqiang Ji一起领导了这项研究的流体动力学和反应建模。“我们对几个模型进行了测试，发现定量分析与传统理论惊人地一致，这些理论解释了宏观生物系统中的结构，比如鱼皮上的图案。这些分子很聪明，我们预计其他软聚合物材料也会发生类似的形态发生现象——我们只是刚刚才获得观察它们的工具。”
“这种影响超越了机械学的理解范畴。”Su说， “如何将膜的形态和性能关联起来是分离科学长期以来的一个难题。我们的研究将纳米尺度形态学取得的深刻认识和膜过滤测试结合起来，这对于多样化的分离环境有重要的意义。”
在研究人员的展望中，这一科学进展也许能通过形态发生扩大包括如聚合物，囊泡，微凝胶和复合材料在内的软纳米材料的功能，因此有着广泛的应用领域。
Chen说：“通过在造型化学反应过程中铸造3D 纳米形态，这一进展将惠及其他具有复杂3D形态材料的设计。像驱动纳米机械和其他具有精确三维界面形态的仿生材料等装置背后的技术，其形状可以影响生物相互作用，这些技术都可能通过我们的发现得到提升。”
参考文献
[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/944396
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1888
编译：绿洲
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：Pixabay
通讯作者 Qian Chen：美国伊利诺伊大学厄巴纳分校材料科学与工程系副教授；她的团队研究方向为活性软物质的成像、深化理解和工程导控的上，包括纳米颗粒和胶体自组装、蛋白质聚集、先进电池设备和节能水过滤系统等。
课题组主页https://chenlab.matse.illinois.edu
第一作者?Hyosung An：韩国全南大学石化材料工程教授
发布杂志 Science Advances
发布时间 2022年2月23日
论文标题 Mechanism and performance relevance of nanomorphogenesis in polyamide films revealed by quantitative 3D imaging and machine learning
（DOI: 10.1126/sciadv.abk1888）
文章领域 材料学，聚合物
