新型纤维材料---蜘蛛丝

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新型纤维材料——蜘蛛丝

蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能。蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝。蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。

科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来。早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线。进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣。科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能。1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。

蜘蛛丝的结构性能与用途

蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构。蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能。蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在。结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β- 折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在0.93～1.57nm之间。非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成，分子多呈α- 螺旋状结构。由丙氨酸组成的β-折叠（硬段）和富含脯氨酸的α－螺旋（软段），及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，从而赋予蛛丝很好的抗张强度和韧性。蜘蛛拖丝抗拉力5×109Pa，断裂伸长率35％～50％，能大量吸收物体的高动能，其优越性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维不能比拟的。

蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。据报导,蜘蛛丝在300℃以上才变黄，开始分解；在零下40 ℃时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬。在需要高温、低温使用的场合下蛛丝纤维的优点特别显著。

蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,另外蛛丝蛋白具有自装配行为，在器官移植和组织修复时可用来介导细胞和组织，或者它们相互之间的连接，以促进器官组织的复原。

由于蜘蛛丝本身的特性,决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用。 医疗卫生

蜘蛛丝主要成分是蛋白质，人们目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点。又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织，同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料。

蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水－空气界面的通透性。与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳。丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、


扩展、分化和生长作用。丝基质还有机械诱导作用，通过调整丝基质的硬度，提供控制基质的最终机械特性来模仿天然机体组织的机械特性和支持宿主组织内生长，蛛丝蛋白是组织工程支架材料的有力竞争者。

军事领域

蜘蛛丝强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能,尤其是具有吸收巨大能量的能力,非常适合防弹衣的制造,它可以阻挡子弹的侵入,使弹头或弹片击入人体内的危险降到最低程度。可用来制成坦克、飞机、雷达、卫星以及军事建筑物的理想的防护罩；用于制成质量小、抗风性能好、坚固耐用的降落伞。据报道,未来可能制成的高性能人工蜘蛛丝“蜘蛛网” ,甚至可以拦截F －6 战斗机。在航空航天方面, 可用作航天结构材料和织造航天服等。蜘蛛丝的高吸能功能是以大变形为前提的，如果将蜘蛛丝用作防弹衣，弹丸对人体的贯穿性损伤和非贯穿性损伤均无法防御，因此要将蜘蛛丝应用于弹道防护产品，至少应与其他高强高模纤维合理搭配，形成合理结构。美国陆军和麻省理工学院正在研究用蜘蛛丝制造一种全新的军装,这种军装不仅能成为士兵的防弹装甲,还可以自动适应不同温度环境,甚至能为生病或受伤的士兵起到一定的医疗作用。

蜘蛛丝的强度非常高,在拉断之前可以极大地延伸,因此是制造高强度纳米导线的理想材料。研究还发现,用紫外激光脉冲能够均匀地缩减蜘蛛丝的直径,经几次缩减后,可把3～5μm 直径的蜘蛛丝缩减到100nm 左右,且不会降低蜘蛛丝的强度。曾有德国某研究员将一种蜘蛛丝的直径减少到原来的二十分之一,将细蜘蛛丝缠在极细的导电金属丝上,可以得到强度极高的“纳米”导线。用这种蜘蛛的丝制成的导线,不像目前的纳米导线那样脆弱,可以在任何地方使用。专家认为，用蜘蛛丝制成的超细导线可能将会引起微型电子器件制造的一场革命。

高强度材料

蜘蛛丝可用于结构材料、复合材料和宇航员装等高强度材料。用蜘蛛丝编织成具有一定厚度的材料进行实验,可发现其强度比同样厚度的钢材高9倍,弹性比具有弹性的其它材料高2倍。因此,对蜘蛛丝进行进一步加工,可用于织造车轮外胎、高强度的渔网。还可用于制造车轮的外胎、光学仪器的十字划线等等。

蜘蛛丝的开发生产

蜘蛛的产丝量小,提取工艺复杂,且同类相食,无法高密度养殖以获取蜘蛛丝。随着科学技术的发展,开发生产蜘蛛丝已成为可能。人们在获取蜘蛛丝蛋白基因后,利用已清楚的氨基酸重复序列信息,人工合成其类似DNA片段,通过微生物、动物、植物等途径表达蜘蛛丝蛋白后进行溶液纺丝,以获取蜘蛛丝纤维。

微生物途径

将蜘蛛基因转入微生物中,通过微生物的分裂繁殖来达到生产具有蜘蛛丝特性的纤维,该方法成本低,生产效率高。如将产丝的蜘蛛基因植入细菌中,产丝基因演变成独立的细菌,进行几百万次繁殖生产出丝。这种细菌的出现,不但降低了产丝的成本,而且还会提高丝的质量。

动物途径

在某些哺乳动物如山羊、奶牛等动物体内注入蜘蛛基因之后,从所产的乳液中可提取一种特殊的蛋白质,这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可用来生产蜘蛛丝纤维。

加拿大研究人员发现山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛的丝蛋白生成模式是一样的,利用转基因技术,把蜘蛛丝牵引丝基因转移到山羊乳腺细胞中,从山羊的乳液提取出类似蜘蛛丝的可溶性蛋白,生产高性能蛋白纤维,开发出新一代动物纤维材料,实验证明这种新的轻型纤维材料强度比钢材更高,而弹性十分好。美国科学家利用转基因法,将一种称为∀黑寡妇#蜘蛛的蛋白质注入奶牛的胎盘内进行特殊培育,这些奶牛所产的牛奶中就含有蜘蛛丝基因。

植物途径

将蜘蛛丝基因移植入植物,培育出能够产生丝蛋白的转基因植物。该方法是将蜘蛛体内

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