利用扫描探针显微镜和粘弹性建模技术对果蝇幼虫表皮的微观结构及微观力学性能进行研究

《Journal of Biomechanics》：A study on the microstructure and micromechanical properties of Drosophila larval cuticle using scanning probe microscopy and viscoelastic modeling

果蝇幼虫表皮通过探针显微镜技术揭示其粘弹性特性，发现齿状区和光滑带存在显著力学差异，齿状区模量更高且松弛更快，MX5模型最佳。研究为软体机器人材料设计提供量化基础。

　　Drosophila幼虫的表皮结构在生物力学研究中占据着重要的地位，因其独特的机械特性而备受关注。幼虫的表皮不仅是一个保护性的屏障，还具有柔韧性和弹性，能够有效支持其运动行为。这项研究通过对Drosophila幼虫表皮的微结构和微机械性能进行深入分析，揭示了其在不同发育阶段的适应性特征，并为仿生材料和软体机器人设计提供了重要的理论依据。

Drosophila幼虫的表皮被定义为一种具有明确厚度和分层结构的粘弹性生物材料。在发育过程中，表皮的结构会经历显著的变化，从而影响其机械性能。幼虫的表皮可以分为多个重复单元，沿着前后轴分布，其中每个单元又包含两个不同的解剖区域：前部的牙状带和后部的光滑皮肤带。牙状带由富含肌动蛋白的牙状结构组成，而光滑皮肤带则具有分层的结构特征，包括外层的防水层、中层的蛋白层和内层的几丁质层。这些结构差异源于胚胎发育过程中细胞分化的变化，进而影响了表皮的机械性能。

在过去的几十年里，许多研究已经关注了Drosophila幼虫表皮的形成过程及其对环境的适应能力。然而，关于其微结构和微机械性能的研究仍然较为有限。大多数现有的研究集中在整体幼虫层面的机械行为，往往忽略了表皮在不同区域的异质性。这种研究方法可能导致对表皮内部机械特性的理解不够全面，因此，有必要在更微观的尺度上对其性能进行详细分析。

为了更精确地了解Drosophila幼虫表皮的微结构和机械性能，本研究采用了扫描探针显微镜（SPM）技术。SPM是一种能够在纳米尺度上对生物材料进行高精度测量的工具，能够提供高空间分辨率和时间分辨率的机械数据。通过SPM技术，研究人员可以对表皮进行原位的拓扑成像和应力松弛测试，从而揭示其在不同发育阶段的粘弹性特性。这一方法不仅避免了对材料的破坏，还能够捕捉到表皮在运动过程中所经历的动态变化。

在本研究中，研究人员对L1、L2和L3三个发育阶段的Drosophila幼虫进行了分析，重点关注了其腹部分节区域的牙状带和光滑皮肤带。研究发现，尽管发育阶段对整体表皮的粘弹性特性影响较小，但牙状带和光滑皮肤带在机械行为上表现出显著的差异。具体而言，牙状带在整个应力松弛过程中表现出更高的模量，且其松弛程度和速度均大于光滑皮肤带。这一结果表明，表皮在不同区域具有不同的粘弹性适应性，能够实现快速应力释放的同时保持一定的刚度，从而支持有效的变形和运动。

通过比较四种不同的粘弹性模型，研究人员确定了五元件Maxwell（MX5）模型最能准确描述表皮的粘弹性行为。MX5模型能够提取出定量的粘弹性参数，并计算出每个解剖区域的松弛模量函数。这一模型的应用不仅有助于理解表皮的机械性能，还为仿生材料的设计提供了理论基础。研究结果表明，Drosophila幼虫表皮的粘弹性特性在不同区域存在显著差异，这种差异可能是其适应不同运动需求和环境变化的关键因素。

在实验过程中，研究人员首先对Drosophila幼虫进行了收集和培养。幼虫由浙江大学脑科学与脑医学学院提供，并在25°C的条件下进行培养。不同发育阶段的幼虫被收集后，按照L1、L2和L3三个阶段进行分类，并转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，以便于后续的解剖和显微镜测量。为了确保幼虫的完整性和无菌性，研究人员在实验过程中定期使用磷酸盐缓冲液（PBS）进行清洗。

在样本制备方面，研究人员采用了SPM技术对幼虫表皮进行原位测量。SPM能够提供高分辨率的表面形貌信息，使研究人员能够观察到牙状带和光滑皮肤带的微观结构特征。通过对这些结构的详细分析，研究人员能够确定其在不同发育阶段的形态变化，并进一步评估其机械性能。例如，研究发现，随着幼虫的发育，牙状带的高度和宽度显著增加，这一现象与之前通过电子显微镜观察到的结果相吻合。

此外，研究还探讨了表皮在运动过程中的功能。Drosophila幼虫的表皮不仅需要承受外部环境的压力，还需要在运动过程中提供必要的支撑力和反作用力。因此，表皮的粘弹性特性对于其运动能力至关重要。牙状带的高模量和快速松弛能力使其能够在运动过程中有效地吸收和释放能量，从而支持幼虫的灵活运动。而光滑皮肤带则通过其分层结构和较低的模量，为幼虫提供了一种更为柔软的保护层，使其能够在复杂的环境中保持稳定。

这些研究发现不仅加深了我们对Drosophila幼虫表皮机械性能的理解，还为仿生材料和软体机器人的设计提供了新的思路。通过模仿Drosophila幼虫表皮的粘弹性特性，研究人员可以开发出具有类似性能的材料，从而提高软体机器人的适应性和灵活性。例如，仿生材料可以设计成具有区域特异性粘弹性，使其能够在不同的运动模式下保持最佳的性能。这种材料的应用可能不仅限于机器人领域，还可以拓展到医疗设备、可穿戴技术以及其他需要柔性结构的领域。

在实际应用中，Drosophila幼虫表皮的粘弹性特性可以作为设计仿生材料的重要参考。通过理解其在不同区域的机械行为，研究人员可以优化材料的结构和性能，使其更接近自然界的解决方案。例如，材料的弹性模量可以被调整，以适应不同的负载条件和运动需求。此外，材料的松弛行为也可以被调控，以实现更高效的能量吸收和释放。这些调整将有助于提高仿生材料的性能，使其在复杂环境中表现出更强的适应性和稳定性。

总的来说，本研究通过对Drosophila幼虫表皮的微结构和微机械性能进行系统分析，揭示了其在不同发育阶段和不同区域的适应性特征。这些发现不仅为理解软体生物的运动机制提供了新的视角，还为开发具有类似性能的仿生材料和软体机器人奠定了基础。未来的研究可以进一步探索这些材料在实际应用中的表现，并通过实验和模拟相结合的方法，优化其设计和性能。这将有助于推动仿生技术的发展，使其在多个领域中发挥更大的作用。