蜘蛛絲

2023年12月5日發(作者：聚合物電池)

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蜘蛛絲纖維

蜘蛛絲的主要化學成分是甘胺酸（NH2-CH2-COOH）、丙胺酸（NH2-CH[CH3]-COOH）及小部分的絲胺酸（NH2-CH[CH2OH]-COOH），加上其它胺基酸單體蛋白質分子鏈構成。外觀上又細又柔軟的蜘蛛絲之所以具有極好的彈性和強度，其原因在于：一方面，蜘蛛絲中具有不規則的蛋白質分子鏈，這使蜘蛛絲具有彈性；另一方面，蜘蛛絲中還具有規則的蛋白質分子鏈，這又使蜘蛛絲具有強度。

長期以來，科學家一直在研究如何大量制造蜘蛛絲的方法。丹麥阿赫斯大學的研究人員發現：蜘蛛造絲的蛋白質與酸接觸時，它們之間相互疊合，連接成鏈狀，從而使絲的強度大大增加。美國麻省的國家陸軍生物化學指揮中心和加拿大魁北克內克夏生物科技公司（ Nexia Bio-technologies）從蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因植入山羊體內，讓羊奶具有蜘蛛絲蛋白，再利用特殊的紡絲程序，將羊奶中的蜘蛛絲蛋白紡成人造基因蜘蛛絲，這種絲又稱為生物鋼（Bio-Steel）。用這種方法生產的人造基因蜘蛛絲比鋼強4至5倍，而且具有如蠶絲般的柔軟和光澤，可用于制造高級防彈衣。生物鋼的用途廣泛，還能制造戰斗飛行器、坦克、雷達、衛星等裝備的防護罩等。

蛛絲蛋白應用簡介

看起來細弱的蛛絲，具有“內剛”的特性。它極的機械特性，使它具有了被仿制和工業應用的重要價值。

蜘蛛拖絲是由22，000多個堿基對編碼的富含甘氨酸的多聚體。很多普通溶劑難以降解拖絲。從對蜘蛛Nephila clavata的拖絲和捕捉絲的機械性質的研究，以及紫外線和酸雨對它們強度影響 研究結果看，可總結出以下幾點：(1)拖絲的斷裂壓力大約為1500Mpa，斷裂張力大約為0.3，模度大約為10Gpa，幾乎與最好的人造纖維(如aramid纖維)相等；(2)捕捉絲的負載張力曲線是“J”型的，斷裂張力量大于200%，但耐久負載比拖絲小得多；(3)紫外線照射和類酸雨可使絲降解〔5，6〕。

對于蜘蛛來說，織一張蛛網是件平常事，為了生存，它們要織網。對于人類來說，很早就想合成蜘蛛產生的強勁、柔韌的絲。然而，這種材料很難得到的。紡織專家認為蛛絲是可做防彈衣的絲，我們有兩種方法可獲得這種絲：一是從捕到的蜘蛛收獲這種絲，但無可操作技術支持；二是在實驗室中復制。后一種途徑正是SSM Natick Rearch Development和Engineering Center(NRDEC)正在開展的，并取得了可喜的成績。

仿制蛛絲一直是纖維工業許多年的奮斗目標。NRDEC至少從60年代起就是這一努力的帶頭者。工業界的興趣和NRDEC長期奮斗的原因是：研究已經表明。這種纖絲的堅韌性使其適合于做高級防彈衣。制作防彈衣的材料必須是高強度、高模系數和高伸長斷裂點，也就是說，材料必須是極堅韌的。軍隊目前的防彈衣是用13層Kevlar Ⅱ制成的，令人吃驚的是，蛛絲的堅韌性是Kevlar Ⅱ織品的3倍!其超級伸長能力使它斷裂時需要吸收更多的能量，理論上可以使射彈更有效地減速。把它用于防彈衣，會起到極好的消力作用，對破碎作用是一種很大的障礙。

從活的大量蜘蛛中收獲蛛是行不通的，它們不能象蠶那樣群體飼養。因此，科學家的目標只能用生物技術生產蛛絲蛋白，即將這種飼養。因此，科學家的目標只能用生物技術生產蛛絲蛋白，即將這種蛋白的基因轉移到細菌中，用細菌能大量生產這種蛋白。向著實現這一目標的努力的一個重要突破是NRDEC的Science和Technology Directorate的研究者能夠克隆蜘蛛es造絲基因。一旦分離出這些基因，就可將它們插入到的DNA中，然后誘導復制這些蛛絲。在沒有蜘蛛存在的發酵罐中以生產出來，這些絲已被紡成纖維，并獲得了幾項技術專利。

重組子蛛絲的產生和絲纖維的紡成是一重要的成就，但這些纖維要用做防彈材料還有許多工作要做，其中極重要是如何誘導細菌提高產量。

蛛絲已經吸引了許多公司和大學的研究人員：如Dupont Hoechst-Celane,

Cornell和Oxford。最近，NRDEC與Agricola簽署了一項合作研究和發展的協議，共同努力去發展大量生產重組子蛛絲纖維的技術。該協議可能奠定大規模商業生產基礎。

除了發展超級防彈衣和盔甲的潛在價值以外，蛛絲還有許多其它的軍事用途，如做降落傘布和降落傘索。從商業上講，蛛絲具有巨大的市場，它可用于做纜繩和各種生物醫學裝置，包括縫合線和人造肌腱。

馬薩諸塞州立大學的研究者也報導了運用基因工程技術制造蛛絲的研究進展，聚合物科學家David tirrell報導了蛛絲的主要組成是兩種最簡單的氨基酸—甘氨酸和丙氨酸。Cornell大學的學者發現，這些氨基酸的組成與蛛絲的令人難以置信的強度有關，拖絲的強度至少有鋼的5倍，彈性為尼龍的2倍，并且防水和可伸展。生物工程材料研究領域的知名學者Tirrel，他指出可以利用重組DNA技術去合成蛛絲，他和其他材料科學家利用該技術制造了一種全新的生物工程材料，克隆了一個特異的基因，并把它插入到細菌中(如)，然后利用這種細菌合成這種蛋白質。例如，蛛絲可以在實驗室中通過取一種蜘蛛綱動物的基因，并插入到細菌基因組中來制造〔9〕。

對拖絲的研究使我們對生物物質有更深刻的了解，這些生物物質可轉變成商業上的巨大效益。徹底查明蛛絲的結構，探索應用領域，將是一個令人激動的材料研究新方向。

37前言：蜘蛛絲是一種天然的高性能蛋白質纖維,由于其優異的力學性能而引起廣泛的關注。隨著生物技術的發展,人工合成蜘蛛絲蛋白已成為可能,并且可以用濕法紡絲技術將人工合成蜘蛛絲蛋白紡制成人造蜘蛛絲。通過改進紡絲工藝以及紡絲后處理方法可以改善人造蜘蛛絲的力學性能。本文對蜘蛛絲蛋白的人工合成以及蜘蛛絲蛋白的紡絲方法作一個綜述。

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

蜘蛛絲的應用

周開亞教授告訴記者，目前蜘蛛絲的應用在國內相對比較落后，但是在國際上是非常熱門的新材料。據介紹，蜘蛛絲有比芳綸還高的強度，計算表明，一根直徑10mm的蜘蛛絲繩可以攔住一架正在飛行中的噴氣式飛機，蜘蛛絲有吸收巨大能量的能力，又耐低溫，同時它又是天然產品，是生物可降解的和可循環再生的材料。

1．在軍事方面。用蜘蛛絲做的防彈背心比用芳綸做的性能還好。也可用于制造坦克和飛機的裝甲，以及軍事建筑物的“防彈衣”等。

2．在航空航天方面。可用于結構材料、復合材料和宇航服裝等。

3．在建筑方面。用于制造橋梁、高層建筑和民用建筑等的結構材料和復合材料。

4．在農業和食品方面。可用做捕撈網具，代替造成白色污染的包裝塑料等。

5．在醫學和保健方面。由于蜘蛛絲是天然產品，又由蛋白質組成，和人體有良好的相容性，因而可用作高性能的生物材料，如人工筋腱、人工韌帶、人工器官、組織修復、傷口處理，用于眼外科和神經外科手術的特細和超特細生物可降解外科手術縫合線。(

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