蜘蛛丝

2023年12月5日发(作者：聚合物电池)

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蜘蛛丝纤维

蜘蛛丝的主要化学成分是甘胺酸（NH2-CH2-COOH）、丙胺酸（NH2-CH[CH3]-COOH）及小部分的丝胺酸（NH2-CH[CH2OH]-COOH），加上其它胺基酸单体蛋白质分子链构成。外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：一方面，蜘蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链，这使蜘蛛丝具有弹性；另一方面，蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。

长期以来，科学家一直在研究如何大量制造蜘蛛丝的方法。丹麦阿赫斯大学的研究人员发现：蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时，它们之间相互叠合，连接成链状，从而使丝的强度大大增加。美国麻省的国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技公司（ Nexia Bio-technologies）从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊体内，让羊奶具有蜘蛛丝蛋白，再利用特殊的纺丝程序，将羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，这种丝又称为生物钢（Bio-Steel）。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍，而且具有如蚕丝般的柔软和光泽，可用于制造高级防弹衣。生物钢的用途广泛，还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的防护罩等。

蛛丝蛋白应用简介

看起来细弱的蛛丝，具有“内刚”的特性。它极的机械特性，使它具有了被仿制和工业应用的重要价值。

蜘蛛拖丝是由22，000多个碱基对编码的富含甘氨酸的多聚体。很多普通溶剂难以降解拖丝。从对蜘蛛Nephila clavata的拖丝和捕捉丝的机械性质的研究，以及紫外线和酸雨对它们强度影响 研究结果看，可总结出以下几点：(1)拖丝的断裂压力大约为1500Mpa，断裂张力大约为0.3，模度大约为10Gpa，几乎与最好的人造纤维(如aramid纤维)相等；(2)捕捉丝的负载张力曲线是“J”型的，断裂张力量大于200%，但耐久负载比拖丝小得多；(3)紫外线照射和类酸雨可使丝降解〔5，6〕。

对于蜘蛛来说，织一张蛛网是件平常事，为了生存，它们要织网。对于人类来说，很早就想合成蜘蛛产生的强劲、柔韧的丝。然而，这种材料很难得到的。纺织专家认为蛛丝是可做防弹衣的丝，我们有两种方法可获得这种丝：一是从捕到的蜘蛛收获这种丝，但无可操作技术支持；二是在实验室中复制。后一种途径正是SSM Natick Rearch Development和Engineering Center(NRDEC)正在开展的，并取得了可喜的成绩。

仿制蛛丝一直是纤维工业许多年的奋斗目标。NRDEC至少从60年代起就是这一努力的带头者。工业界的兴趣和NRDEC长期奋斗的原因是：研究已经表明。这种纤丝的坚韧性使其适合于做高级防弹衣。制作防弹衣的材料必须是高强度、高模系数和高伸长断裂点，也就是说，材料必须是极坚韧的。军队目前的防弹衣是用13层Kevlar Ⅱ制成的，令人吃惊的是，蛛丝的坚韧性是Kevlar Ⅱ织品的3倍!其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效地减速。把它用于防弹衣，会起到极好的消力作用，对破碎作用是一种很大的障碍。

从活的大量蜘蛛中收获蛛是行不通的，它们不能象蚕那样群体饲养。因此，科学家的目标只能用生物技术生产蛛丝蛋白，即将这种饲养。因此，科学家的目标只能用生物技术生产蛛丝蛋白，即将这种蛋白的基因转移到细菌中，用细菌能大量生产这种蛋白。向着实现这一目标的努力的一个重要突破是NRDEC的Science和Technology Directorate的研究者能够克隆蜘蛛es造丝基因。一旦分离出这些基因，就可将它们插入到的DNA中，然后诱导复制这些蛛丝。在没有蜘蛛存在的发酵罐中以生产出来，这些丝已被纺成纤维，并获得了几项技术专利。

重组子蛛丝的产生和丝纤维的纺成是一重要的成就，但这些纤维要用做防弹材料还有许多工作要做，其中极重要是如何诱导细菌提高产量。

蛛丝已经吸引了许多公司和大学的研究人员：如Dupont Hoechst-Celane,

Cornell和Oxford。最近，NRDEC与Agricola签署了一项合作研究和发展的协议，共同努力去发展大量生产重组子蛛丝纤维的技术。该协议可能奠定大规模商业生产基础。

除了发展超级防弹衣和盔甲的潜在价值以外，蛛丝还有许多其它的军事用途，如做降落伞布和降落伞索。从商业上讲，蛛丝具有巨大的市场，它可用于做缆绳和各种生物医学装置，包括缝合线和人造肌腱。

马萨诸塞州立大学的研究者也报导了运用基因工程技术制造蛛丝的研究进展，聚合物科学家David tirrell报导了蛛丝的主要组成是两种最简单的氨基酸—甘氨酸和丙氨酸。Cornell大学的学者发现，这些氨基酸的组成与蛛丝的令人难以置信的强度有关，拖丝的强度至少有钢的5倍，弹性为尼龙的2倍，并且防水和可伸展。生物工程材料研究领域的知名学者Tirrel，他指出可以利用重组DNA技术去合成蛛丝，他和其他材料科学家利用该技术制造了一种全新的生物工程材料，克隆了一个特异的基因，并把它插入到细菌中(如)，然后利用这种细菌合成这种蛋白质。例如，蛛丝可以在实验室中通过取一种蜘蛛纲动物的基因，并插入到细菌基因组中来制造〔9〕。

对拖丝的研究使我们对生物物质有更深刻的了解，这些生物物质可转变成商业上的巨大效益。彻底查明蛛丝的结构，探索应用领域，将是一个令人激动的材料研究新方向。

37前言：蜘蛛丝是一种天然的高性能蛋白质纤维,由于其优异的力学性能而引起广泛的关注。随着生物技术的发展,人工合成蜘蛛丝蛋白已成为可能,并且可以用湿法纺丝技术将人工合成蜘蛛丝蛋白纺制成人造蜘蛛丝。通过改进纺丝工艺以及纺丝后处理方法可以改善人造蜘蛛丝的力学性能。本文对蜘蛛丝蛋白的人工合成以及蜘蛛丝蛋白的纺丝方法作一个综述。

Spider silk is Natural high-performance protein fiber. The biomaterial has

attracted much interest from scientists in various disciplines. Now it has become

feasible to produce spider silk proteins by means of biotechnology and the

man-made spider silk fibers have been also produced by wet-spinning method.

Artificial spider silk with mechanical properties similar to the nature spider silk

should be able to be produced by varying the spinning parameters and

post-process. Recent rearch about

蜘蛛丝的应用

周开亚教授告诉记者，目前蜘蛛丝的应用在国内相对比较落后，但是在国际上是非常热门的新材料。据介绍，蜘蛛丝有比芳纶还高的强度，计算表明，一根直径10mm的蜘蛛丝绳可以拦住一架正在飞行中的喷气式飞机，蜘蛛丝有吸收巨大能量的能力，又耐低温，同时它又是天然产品，是生物可降解的和可循环再生的材料。

1．在军事方面。用蜘蛛丝做的防弹背心比用芳纶做的性能还好。也可用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等。

2．在航空航天方面。可用于结构材料、复合材料和宇航服装等。

3．在建筑方面。用于制造桥梁、高层建筑和民用建筑等的结构材料和复合材料。

4．在农业和食品方面。可用做捕捞网具，代替造成白色污染的包装塑料等。

5．在医学和保健方面。由于蜘蛛丝是天然产品，又由蛋白质组成，和人体有良好的相容性，因而可用作高性能的生物材料，如人工筋腱、人工韧带、人工器官、组织修复、伤口处理，用于眼外科和神经外科手术的特细和超特细生物可降解外科手术缝合线。(

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