蜘蛛丝:从天然到生物启发的材料

蜘蛛丝是极坚韧的蛋白质纤维,兼有极好的强度和弹性.但主要由于大多数蜘蛛的同类相食性,工业规模养殖蜘蛛是不可行的.重组生产技术的最新进展为生产与天然蜘蛛丝性质相似的仿蜘蛛丝蛋白质提供了可能性.根据天然纤维纺丝过程的机理,预计在不久的将来,仿生方法将大规模生产这种令人神往的纤维状材料,满足各种用途.     

用于功能性纺织品的古老生物材料——蜘蛛丝

同等条件下,蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维,甚至可与钢相媲美。蜘蛛丝又称为游丝。1只蜘蛛可以提供7种不同种类的蜘蛛丝,有些丝非常坚硬、强度高,像梁一样可以撑起整个蜘蛛网;有些丝弹性或黏性好,可以缠绕猎物。强度和弹性的结合使得蜘蛛丝非常不可思议,单单这些特质就能使蜘蛛丝织出令人印象深刻的织物。卵袋可以阻挡紫外线,与某些蜘蛛丝相比,还可以抗收缩。了解蛋白质的结构与蜘蛛的吐丝过程可以帮助科学家合成人造丝。目前,可以通过各种各样的转基因生物体生产合成蛋白,企业和学院都致力于纺丝过程的研究。     

蜘蛛丝的结构性能与研究现状

结合蜘蛛丝研究的历史与研究现状，阐述了中国大腹圆蜘蛛牵引丝，框丝及包卵丝等天然蜘蛛丝的聚集态结构和形态结构，对比分析了蜘蛛丝的物理，力学及机械性能，介绍了利用基因工程技术人工生产蜘蛛的主要方法和途径。     

高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用(2)

蜘蛛由于不能象蚕一样大量饲养而获取丝纤维，因此如何实现蜘蛛丝的工业化生产，成了科学工作者十分感兴趣的研究课题。自从W.Xu和Lewis利用生物技术表达了Nephlia蜘蛛大囊状腺分泌丝和鞭毛状腺分泌丝的部分基因片段后，国外大量的研究机构投入力量到人工合成蜘蛛丝蛋白的研究中，同时也使生物工程技术在蜘蛛丝研究方面的发展优于蚕丝。     

不同种类蜘蛛牵引丝的性能差异

蜘蛛能分泌出高性能的纤维，该纤维的强力和韧性优于最好的人造纤维。不同蜘蛛分泌的丝纤维的性能之间存在着一定程度的差异。目前为止已经确定了多种类型蜘蛛丝蛋白的氨基酸序列，推测认为氨基酸序列的变化会造成蜘蛛丝性能的差异。用NanoBionix张力测试仪测量了多类蜘蛛牵引丝的力学性能，包括织圆网的蜘蛛和不织空中捕捉网的代表性蜘蛛。研究发现所有种类的蜘蛛都能分泌出高性能的牵引丝，且牵引丝优异性能的形成早于蜘蛛所织的悬挂于空中的圆网本身。然而，各类被测试样的性能之间还是存在着显著的差异，且没有相关的趋势。也就是说不同种类的蜘蛛丝可能具有不同的性能。研究认为，牵引丝序列谱图和经过长期进化而获得的性能为仿生丝纤维的设计提供了丰富的资源。     

神奇的材料:蜘蛛丝

<正>丝产品以其迷人的魅力和奢华的品质而著称。蜘蛛和蚕一样属于节肢动物,但是蚕是六足昆虫动物的幼虫,而蜘蛛是八足蛛形纲动物的成虫。在显微镜下观察,蜘蛛丝与蚕丝非常相似,都是实心、透明、没有内部结构,但是蜘蛛丝的横截面是圆形,而蚕丝是三角形。蜘蛛丝在水中     

高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用(1)

蜘蛛丝和蚕丝一样是来自于自然界的动物丝，尽管蜘蛛不可能象蚕一样大量吐丝而实现工业化生产，但蜘蛛丝的优异力学性能和潜在的应用前景，引起了各国学者的关注。近年来材料学科的研究人员对蜘蛛丝的结构和性能已进行了比较系统的研究，在此基础上，通过与生物工程技术、纺丝技术的结合，在人造蜘蛛丝的研究方面也取得了很大的进展。本文介绍蜘蛛丝的结构、性能及其相互关系，分析了蜘蛛丝的形成机理，通过与蚕丝的比较，说明两者在成丝方式上的异同点。介绍人造蜘蛛丝的研究现状以及发展趋势，阐述了蜘蛛丝的应用前景。     

人造蜘蛛丝

美国陆军分子生物学家研制成功一种奇妙的纺织纤维——人造蜘蛛丝。他用遗传工程技术,改变了天然蜘蛛丝基因。在实验室内将蜘蛛用于生产蜘蛛丝的基因转移入细菌,细菌可生产一种蜘蛛丝蛋白,将液化后的蜘蛛丝蛋白通过注射器针孔,经挤压就能拉成人造蜘蛛丝。     

蜘蛛丝的皮芯层及原纤化构造

蜘蛛丝的微观形态结构是决定其力学性能的重要因素，为了探索蜘蛛丝优异力学性能的形成机理，研究大腹园蛛牵引丝、蛛网框丝和包F口丝的微观形态结构特征，得出三种蜘蛛丝都具有原纤化和皮芯层结构。     

人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的研究进展

蜘蛛丝因其优异的力学性能和良好的生物相容性,一直吸引着科学家的研究兴趣。但蜘蛛在大规模繁殖中互相残杀的特性导致其无法像蚕丝一样实现商业化生产,因此,研发人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维成为解决上述问题的有效方法。为更好地理解蜘蛛丝强韧的本质,综述了天然蜘蛛丝的结构,包括一级结构、β-折叠晶体网络(纳米纤维)结构及其形成过程。介绍了目前人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的制备进展,包括使用的多肽、非重组蜘蛛纤维蛋白、高分子材料和碳纳米管材料等,为下一步研究与规模化制备人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维提供参考。     

人造蜘蛛丝研究

美国怀俄明大学正在进行的军用蜘蛛丝研究项目，获得了美国空军科研办的支持。实践证明，批量生产天然蜘蛛丝是不可实现的。因此，批量蜘蛛丝只能用人造蜘蛛丝蛋白进行纺丝。目前，科研人员已用蜘蛛基因殖入细菌，制成化学结构与蜘蛛丝相似的蛋白质，可供实验纺丝应用。此外，研究人员已用转基因山羊生产出含蜘蛛丝蛋白的奶，从转基因山羊奶提取的蛋白质可纺成高强度、轻质和高弹性丝，这种丝可用于轻质军用防弹背心，也可用于高强度降落伞，适用于重装备空降。另外可用于人造韧带。目前，该科研团队已研制成15种蜘蛛丝，如果进一步改进纺丝工艺，这些人造蜘蛛丝的性能有望继续得到改善。     

蜘蛛丝纤维及其在生产中的应用

蜘蛛丝是目前世界上最为坚韧且有弹性的纤维之一，是一种蛋白质纤维，强度高、弹性好、比重小、可生物降解且无污染。简单介绍了蜘蛛丝的结构性能、生产方法以及在纺织、医学、军事及高强度材料等方面的应用。     

国际新技术与新产品动态

1．稀有蜘蛛丝纺织品问世在马达加斯加高原上,人们从100万余只金球蜘蛛体内采集来蜘蛛丝然后经过特殊加工．制成一种丝纤维长4米的手工织物。由此,用这种蜘蛛纤维制成的特殊手工艺品问世．俗称马达加斯加织物。     

蜘蛛丝纺织品的研究与开发

你能否想象这样一种纤维 ,它和铁丝有同样的强度 ,和 Kevlar有同样的弹性 ?它 ,就是蜘蛛丝。目前 ,人们已经找到生物工程和转基因方法来开发这种性能优良的蜘蛛丝纤维。1　蜘蛛丝的研究历史　　蜘蛛 ,像蚕一样 ,属于节肢动物 ,但蚕是六条腿的昆虫幼体 ,而蜘蛛是八条腿的蛛形纲成虫。蚕丝的功能是形成保护性的蚕茧来包裹着幼虫以利于它继续成长 ,而蜘蛛丝的功能是提供支撑作用。因此 ,它比蚕丝更结实 ,并且可长达一英里。蜘蛛用蛛网上发亮的蛛丝来吸引并捕捉昆虫以获得食物。蛛丝既结实又有弹性 ,它网住一只苍蝇的力量相当于用一张由一英寸…     

人工蜘蛛丝制作防弹背心

蜘蛛丝与钢丝相比,强度是钢丝的5倍,延伸率达1/3,而钢丝的延伸率仅1％,且蜘蛛丝恢复原状时不变形,其应用前景十分广阔。两年前,美国军方已成功地研究出从蜘蛛体内提取蜘蛛丝来制造防弹背心。最近又责     

转基因山羊“吐”出蜘蛛网

近日 ,加拿大一公司声称将利用转基因山羊制造大量的蜘蛛网。蜘蛛网的质地坚韧而且非常轻巧 ,已成为未来替代碳纤维的首选材料。蜘蛛很难养殖 ,因此人们尚无大规模制造蜘蛛网的技术。如今 ,这种现状将随着加拿大科研人员的研究而发生本质性的改变。与克隆多利羊的研制原理类似 ,科研人员利用蜘蛛基因培育山羊。这两只分别名为韦伯斯特和皮特的转基因山羊既不像蜘蛛一样悬在房顶上 ,也不像蜘蛛那样将飞虫视作自己的食物。它们与其它山羊从表面上看毫无二样 ,但它们产下的羊奶中却包含有蜘蛛丝的蛋白质 ,可用于制造一种名为“生物钢铁 (Ｂｉｏ…     

日本企业将量产人造蛛丝

蜘蛛丝产生于蜘蛛的旋转腺,是一种无规则的卷曲蛋白质,在精确的酸性、含水量和化学浓度下形成,最终通过导管释放出来。这些纤维体具有防渗水性,部分透明,部分卷曲。蜘蛛丝还可用作绷带,具有很好的抗菌性。同等粗细下蜘蛛丝的强度是钢铁的4到5倍,伸缩性优于尼龙,重量却     

蜘蛛丝研究与应用概述

尽管研究人员欣赏蜘蛛丝经过4亿年进化而形成的卓越性能，但以蜘蛛的速度纺蜘蛛丝还未实现商业化运作。一些科学小组正在寻找提高纺丝速度的途径，包括快速去除蛋白液中水分和迫使蛋白分子更快排列的技术。科学家们还希望通过同时纺几百根丝来加工复丝。研究人员和生物学家们正在利用毛虫、酵母、细菌、母牛和仓鼠、苜蓿草和山羊等的转基因技术来进行各种蜘蛛丝品种的试验，最终目的是开发出模仿或超越天然丝所有性能的蜘蛛丝。这些丝将拥有更广泛的应用领域，从医用缝合线到防弹背心。     

科学家研发可匹敌蜘蛛丝的再生蚕丝RSF

正蜘蛛丝是具有极好的强度与弹性的材料之一。不幸的是,饲养蜘蛛来获得蜘蛛丝是非常不切实际的。虽然一些研究人员正在研究合成蜘蛛丝,但麻省理工学院和塔夫茨大学的科学家采取了另一种方法,他们设计了一种使用蚕丝制造几乎具有和蜘蛛丝一样强度的纤维的方法。该过程涉及化学溶解蚕茧,但仅限于某一点。它们的分子结构保持不变,导致丝纤维分解成微丝状结构,称为微原纤维。     

蜘蛛丝与蚕丝结构性能比较

蜘蛛和蚕同属于节肢动物,蜘蛛丝与蚕丝又同属于蛋白质纤维,但它们纤维的性能却存在很大的差异,本文就蜘蛛丝与蚕丝的性能进行分析比较,阐明其异同点,为它们在纺织业中的应用提供一定的理论与技术基础。