蜘蛛丝的化学组成与结构初探
高性能纤维——蜘蛛丝
高性能纤维——蜘蛛丝专业：纺织工程姓名:赵树超学号：200920301019摘要：蜘蛛丝具有非常优异的性能特征，如其具有综合的钢性、强度和弹性及生物可降解性等，这些特点使得蜘蛛丝在许多领域具有广阔的应用前景。
本文主要分析了蜘蛛丝的结构、性能、分子结构与性能的关系、制备及应用。
关键词：蜘蛛丝；结构；性能；机理；制备；应用前言蜘蛛丝属于蛋白质纤维，是一种天然高分子纤维和生物材料。
蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、耐紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的，尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原料。
蜘蛛丝纤维由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。
其特殊的结构和性能，在纺织行业、医疗卫生和军事领域等方面产生了极其重要的影响。
蜘蛛丝滑爽柔软，光汗优雅。
但是数量少。
目前国内外许多科学家已通过基因工程，将蜘蛛的基因移植到蚕体及其它植物和动物等体内，从而使蜘蛛丝蛋白质纤维实现工业化生产的梦想成为现实。
相信，随着科学技术的发展，蜘蛛丝纤维将广泛用于纺织服装业等多个领域，成为新一代高性能生物材料。
1蜘蛛丝的结构和组成1.1 蜘蛛丝纤维的组成蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，基本组成单元为氨基酸。
蜘蛛丝含l7种左右氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。
蜘蛛丝中较大的7种氨基酸含量占其总量的90％，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸。
1.2 蜘蛛丝纤维的微观结构蜘蛛丝由前纺器纺区、中纺器纺区、后纺器纺区三组喷嘴喷射形成，分子结构是由原纤丝组成，而原纤丝又由120nm微原纤组成，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。
蜘蛛丝横截面接近圆形，直径为6.9μm，是单丝，由两组丝腺组成，中间没有丝胶，没有覆盖于表面的水溶性物质。
蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹缝痕迹，在水中有大的溶胀性，截面会发生膨胀，径向则会发生明显的收缩。
蜘蛛丝
蜘蛛丝纤维之我见高（101）张春娟 1008093006摘要：蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料，迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。
人类一直梦想着利用蜘蛛丝的奇特性能来造福社会大众。
关键词：蜘蛛丝,性能,应用节肢动物门(Arthropoda)蛛形纲(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有种的通称。
除南极洲以外，全世界分布［1］。
蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝，它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力也很强。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能，是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。
首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大。
其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。
蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能。
由于蜘蛛丝是由蛋白质构成,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种纤维上十分困难。
人们开始考虑,如果能够用人工的方法大量而经济地生产这种纤维,必将对纤维和纺织业的发展产生深远的影响。
目前美国、加拿大、德国和英国等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究,并已取得相当的进展,对蜘蛛丝的研究,已成为当今纤维界的热门课题。
1 蜘蛛丝的形成原理及其性能1.1 形成原理在显微镜下，我们看到丝从蜘蛛的分泌出来，蜘蛛的腹腔里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。
结网的时候，蜘蛛便将这些丝浆喷出去。
丝浆一遇到空气，就凝结，且富有粘性和惊人的强度。
每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍，弹性也比人造纤维好得多。
比如，蜘蛛网可以延伸到原长的10倍，而尼龙一旦延展到原长的20％就会发生断裂无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。
而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质，粘丝是不粘油的。
但是，一般飞虫是没有这层油质的，所以，蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛［2］。
1.2 主要成分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。
蜘蛛丝的结构性能与研究现状
酸等 ! 并且不能被大部分蛋白酶分解 ! 在加热时 ! 能微 溶于乙醇中 " 蜘蛛丝最吸引人的地 方 是 具 有 优 异 的 力 学 性 能 ! 即高强度 # 高弹性 # 高柔韧性 # 高断裂能 " 由表 # 可知 ! 大腹圆蜘蛛的牵引丝 # 框丝和外层包卵丝的断裂强度 均比蚕丝丝素的大 ! 断裂伸长率是丝素的 #.$ 倍 ! 断裂 比功也比丝素大得多 " 蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢 丝和用于制造防弹衣的 +/012- ! 但是其断裂伸长率是钢 丝的 $.!& 倍 ! 是 +1/012- 的 !&.*& 倍 ! 特别是断裂功比 钢丝和 +/012- 大得多 "
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四川丝绸
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蜘蛛丝的结构性能与研究现状
刘庆生 西安工程科技学院 段亚峰 绍兴文理学院
摘要 $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丝的主要方法和途径 # 关键词 $ 蜘蛛丝 结构 性能 基因工程
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化学产品设计--蜘蛛丝的合成
在医学医疗方面
蜘蛛丝的优越性还在于它是蛋白质纤维，与人体具 有“兼容性”。通过转基因技术得到具有蜘蛛丝特点的“生 物钢”制成人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱 等产品，具有韧性好、可降解等特性。蜘蛛丝在医学和医 疗方面有广泛用途。
在建筑方面
蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性， 在极高温度下才会分解，因此蜘蛛丝可用于结构材 料、复合材料等高强度材料。在建筑方面，蜘蛛丝 可用做结构材料和复合材料，代替混凝土中的钢筋， 应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻 建筑物自身的重量，还可以抗震。
最终方案
经比较最终选定方案A+E：即将蜘蛛丝基 因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,通 过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝蛋白质,再把 这种蛋白质从微孔中挤出,就可得到极细的丝 线。再利用静电仿丝技术对蜘蛛丝性能进行改 善使其更加满足工业生产需求。
其半晶体结构可以发展生物半导体技术，其稳定的 室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物 计算机的优良材料。
研究现状及问题
• 然而蜘蛛种类繁多，不同种类的蜘蛛丝的组成差异 很大，而同一种蜘蛛不同丝腺中的液状丝的氨基酸 组成也有很大差异。而我们对蜘蛛产生的各种丝的 组成和结构仅有有限的信息和数据。
三种类型蜘蛛丝的结构及生物学功能
三种类型蜘蛛丝的结构及生物学功能蒋平沈丽杨孔冉丹王郭聪!（四川大学生命科学学院成都610064）摘要：利用付里叶变换红外光谱仪（FTIR ）对棒络新妇（Nephila clawata ）、悦目金蛛（Argiope amoena ）的大壶状腺丝（拖丝）、悦目金蛛的捕丝（粘性螺旋丝）和卵袋丝这3种不同类型蜘蛛丝的二级结构进行了测试研究。
结果表明：蜘蛛丝同时包含无规则卷曲、!-螺旋和"-折叠构象；对这3种蛛丝的红外光谱进行比较表明同一蜘蛛的不同类型蛛丝所含的这3种二级结构的比例不同，这种不同组成的二级结构就赋予了蜘蛛丝不同的特性，这种特性又与其不同的功能相适应。
此外，还用扫描电镜（SEM ）和光学显微镜对悦目金蛛和小悦目金蛛（A.minuta ）的拖丝和捕丝做了形态结构观察。
蜘蛛丝这种天然动物蛋白纤维所具有的特殊的形态结构、蛋白质二级结构与其特殊的性能和生物学功能是高度一致的。
关键词：大壶状腺丝；捕丝；卵袋丝；二级结构；生物学功能中图分类号：@954文献标识码：A 文章编号：0250-3263（2003）05-10-05!通讯联系人；第一作者介绍蒋平，男，26岁，硕士研究生；研究方向：动物生态及行为；E-maiI ：jp412@ 。
收稿日期：2002-12-01，修回日期：2003-06-30Structure and Biological Function of Three Types of Spider SilkJIANG PingSHEN LiYANG KongRAN DanWANG JieGUO Cong（College of Life Sciences ，Sichuan Uniwersity ，Chengdu 610064，China ）Abstract ：We tested the naturaI major ampuIIate siIk of two orb-web spiders ，Nephila clawata andArgiope amoena ，the sticky capture siIk（adhesive siIk of spiraI ）of A.amoena and the cocoon siIk of A.amoena with Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR ）.Major conformationaI sensitive regions were assigned in the spectra.Spider siIk showed secondary configuration ："-sheet ，random coiI and /or !-heIix.The comparison of the FTIR spectra of these four sampIes of spider siIk demon-strates that the proportions of these three types of conformation differ in different types of siIk from the same spider ，contributing to the different properties and functions of siIk produced by the same species.In addition ，observation of the dragIines of A.amoena by Scanning EIectronic Microscope （SEM ）reveaIed that the dragIine consists of doubIe fiIaments a few #m in diameter.Observation of the sticky capture siIk of A.amoena by opticaI microscopy demonstrated that capture siIk aIso con-sists of two core threads covered by viscid wet dropIets.An argument can be made that these confi-gurations of spider siIk are superbIy matched to their particuIar properties and bioIogicaI functions.Key words ：Major ampuIIate siIk ；Capture siIk ；Cocoon siIk ；Secondary configuration ；BioIogicaIfunctions·01·动物学杂志Chinese JournaI of ZooIogy 200338（5）蜘蛛是一个庞大的家族，种类繁多，不同的蜘蛛抽出不同的丝，织不同的网，其生活策略也不尽相同。
蜘蛛网成型的原理
蜘蛛网成型的原理
蜘蛛网成型的原理主要涉及到蜘蛛丝的特殊结构和蜘蛛体内的生物化学过程。
首先，蜘蛛体内有专门的器官用于产生丝腺。
蜘蛛丝是由腺体分泌的，腺体位于蜘蛛体内不同的部位，可以产生不同类型的丝。
当蜘蛛需要制作蛛网时，它会控制自身的肌肉来调整丝的张力和长度。
一旦蜘蛛决定开始制作蛛网，它会将前腹中的腺体与蛛丝接触，将腺体中的液体推出。
蜘蛛丝是由腺体分泌的一种由蛋白质组成的液体。
当液体与空气接触时，它会迅速固化，形成实质上是无数个纳米级蛛丝的结构。
这些纳米级蛛丝相互缠绕、交汇和交错，形成了蜘蛛网的基本结构。
蛛丝之间的结构非常微妙，通常由多个螺旋形结构构成。
这种螺旋形结构给予蜘蛛网很强的柔韧性和韧度，使得它可以在捕捉猎物时不断受到外力冲击的情况下保持稳定。
此外，蜘蛛网的结构还具有与环境相适应的特点。
蜘蛛会根据自己所处的环境条件和猎物类型，调整丝的粘性和强度，以更好地捕捉猎物。
总的来说，蜘蛛网成型的原理主要涉及到蜘蛛体内特殊丝腺的分泌和蜘蛛丝的固化过程，以及蛛丝之间的微妙结构。
这些特点使得蜘蛛能够制作出适应不同环境
和猎物的高效捕食工具。
蛛丝探秘
蜘蛛并不是昆虫，在动物分类上，蜘蛛属于节肢动物门、蛛形纲，和蝎子是同族兄弟。
蜘蛛和蚕一样，是自然界天生的纺织能手。
不过蚕和蜘蛛吐丝的目的不同：蚕吐丝是为了结茧，那是保护它们的“房子”，而蜘蛛吐丝是为了结网捕获猎物。
由于猎物通常会疯狂地挣扎，所以蜘蛛丝要有很高的强度、韧性和黏性，这决定了蜘蛛丝要比蚕丝结实得多。
如此结实的蜘蛛丝是怎样生成的？它能否被人们利用？蜘蛛丝是蜘蛛体内的代谢产物，主要由氨基酸组成，其粘着物质中含有丝氨酸、谷氨酸、赖氨酸、脯氨酸等多种氨基酸，这些低分子化合物可使蜘蛛丝的水分不易蒸发，维持一定的黏性。
蜘蛛丝由丝腺分泌时是液体的，通过尾部的纺器排出体外后凝固成丝。
分泌蜘蛛丝的腺体构造十分复杂，一般有大壶状腺、小壶状腺、葡萄状腺、聚状腺、鞭状腺、管状腺等。
不同丝腺分泌的蜘蛛丝作用不同。
例如，壶状腺分泌的主要是曳丝、辐射状丝及骨架丝。
曳丝是蜘蛛的“保命绳索”，避免蜘蛛突奥秘世界牢固的蜘蛛丝然坠落时直接掉落在地；辐射状丝及骨架丝用于承受圆网上的张力，尤其是猎物撞上网的时候。
因此，它们的优点是不易断裂，但缺点是延展性较差。
雌蛛产卵时会先用蜘蛛丝制作一个卵囊，将卵产在卵囊中，管状腺的主要功能就是制作卵囊。
为避免卵被其他动物吃掉，管状腺丝在所有蜘蛛丝中具有最高的硬度。
1.造巢不同蜘蛛会造不同类型的巢。
漏斗网蜘蛛会造一种漏斗形的巢，斗口朝上，与网相连。
水蛛会用丝在水下造巢，用来隐蔽或产卵。
2.求偶蜘蛛丝也是蜘蛛求爱、传情之丝。
平时一只蜘蛛便是一网之主，排他性很强，其他蜘蛛不得涉足。
但当雌蛛进入成熟期，便欢迎雄蛛到自己的网上来。
3.包卵雌蛛排卵时，先用丝织一条“产褥”，然后把卵排在“产褥”上，再用丝包上，形成卵囊。
可见，蜘蛛丝在延续后代上也起着重要作用。
4.飞航体形很小的蜘蛛有飞航的习性，时常附在丝上随风漂荡，过着游猎的生活。
在远离陆地400多千米的轮船上，有人曾观察到飞航的蜘蛛在桅杆上结网。
5.安全带蜘蛛在树枝间或屋檐下结网，也算是“高空作业”，但不用担心，蜘蛛会拉一根曳丝做为“安全带”。
蜘蛛丝
蜘蛛絲是一種奈米級微晶體的增強複合 材料，佔纖維總質量的10%左右。是分 散在蜘蛛絲無定形蛋白質中的增強填料 由於蜘蛛絲的晶粒(grain)很小，以致當 絲在外界拉力作用下，隨著似橡膠的無 定形區域的取向，蜘蛛絲晶體取向度也 隨之增加。
當纖維拉伸為 10%時，纖維 結晶度不變， 結晶取向增加。 橫向晶體尺寸 減小。
PA6 (Polyamide 6, 聚醯胺6) mp 215-220°
Kevlar
此種纖維成份是芳香族聚醯胺 （Aromatic polyamide），Kevlar的化學 構造為聚對苯二甲酸對苯醯胺（po1y pphenylene terephthalamide，PPTA）是 由對苯二胺（p-phenylene diamine）與 對苯二醯氯（Telephthalloyl chloride） 脫鹽酸反應聚合而成。其單位質量的強 度是鋼絲的5倍。
凝膠擠出法製備多孔膜
將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）溶 解在揮發溶劑中，連續擠出，然後經一 個熱可逆凝膠/結晶過程，使其成為一 種濕潤的凝膠膜，蒸除溶劑使膜乾燥。 由於已形成的骨架結構限制了凝膠的收 縮，在乾燥過程中產生微孔，經雙軸拉 伸達到最大空隙率而不破壞完整的多孔 結構。
與其它工程塑料相比，超高分子量聚乙 烯（UHMW-PE）具有表面硬度和熱變 形溫度低、彎曲強度以及蠕變性能較差 等缺點。這是由於超高分子量聚乙烯（ UHMW-PE）的分子結構和分子聚集形 態造成的，可通過填充和交聯的方法加 以改善。
由於超高分子量聚乙烯（UHMW-PE） 熔融狀態的粘度高達108Pa*s，流動性 極差，其熔體指數幾乎為零，所以很難 用一般的機械加工方法進行加工。
凝膠紡絲
为什么蜘蛛丝如此坚韧
为什么蜘蛛丝如此坚韧
蜘蛛丝是一种著名的天然纤维，因其坚韧性、柔韧性和轻巧性而备受瞩目。
许多研究者花费了大量的时间和精力探究蜘蛛丝的奥秘，其中某些研究即将开拓全新的纤维应用领域。
蜘蛛丝的制备
蜘蛛丝是由蜘蛛腺体内分泌蛋白而生成的。
蜘蛛腺体有许多不同类型，每一种都分泌不同种类的蛋白质。
通过“线腺”（源自后肠），蛋白质被拉伸成纤维，并在空气中自然凝结而成。
蜘蛛纤维的强度和韧性
蜘蛛丝的坚韧性传统上归功于其强度和柔韧性。
据说，蜘蛛丝的强度是钢的倍数。
这种韧性来自于其纤维结构。
类似于绷带的构造, 蜘蛛纤维是由许多细微的纤维束交织在一起的, 多层次的结构加强了其强度和刚性, 使其能够经受住大量的压力和拉伸。
蜘蛛丝的应用
考虑到其显著的机械特性, 蜘蛛丝被认为适用于人类环境中的各种应用领域。
如果科学家们能够开发出切实可行的方法，通过大量产生蜘蛛丝，就有可能在未来的建筑和工程中使用。
例如, 一些研究人员正在探索如何利用蜘蛛丝构建更坚固的建筑材料，可能会替代传统的钢铁框架。
除了建筑领域, 蜘蛛丝的应用领域还包括生物和医疗领域, 电子设备, 空气净化器, 防弹衣和体育设备等。
在医疗领域, 使用蜘蛛丝可能最大程度地减少其他材料对人体的负面影响, 特别是对于需要在人体内留置器具的患者。
结论
有证据表明，蜘蛛丝的性能可能比许多传统材料更出色，并具有许多应用领域的潜在可能性。
尽管蜘蛛丝的研究仍处于早期阶段，但科学家有望在未来开发出大规模生产蜘蛛丝的方法。
这将有助于推动大规模制造和商业化的发展，将蜘蛛丝和其它材料混合，用于许多不同类型的项目和应用。
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝要点
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究
蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究3黄智华 李 敏33(福建师范大学生物工程学院 福州 350007)摘要 蜘蛛丝尤其是蜘蛛大囊状腺产生的拖丝,具有独特的机械性能,是自然界颇具应用潜力的生物材料。
现代分子生物学技术使蜘蛛丝蛋白基因得以克隆,通过高分子物理化学手段方法的利用,有利于揭示蜘蛛丝蛋白质序列、分子结构、以及分子结构和力学性能之间的关系。
对不同种类蜘蛛丝蛋白的深入研究,将为基因工程方法人工合成并改造蜘蛛丝成为可能。
关键词 蜘蛛丝 力学性能 人工合成蛛丝收稿日期:20032012293福建省自然科学基金重大科技项目资助(2001F006)33通讯作者,电子信箱:m li @ 结网蜘蛛有7种不同的腺体,每种腺体能产生独特功能特性的蜘蛛丝,其中拖丝的性能可与最好的现代技术合成纤维相媲美,是外科手术缝合线、降落伞、防弹衣及组织工程所需的临时搭架的理想材料,受到各国研究者的广泛关注。
近20年来,对蜘蛛丝的研究主要集中于大囊状腺产生的拖丝和鞭毛状腺产生的鞭毛丝。
科学家对蜘蛛丝的化学组成、分子结构、聚集态结构和蛛丝蛋白基因均作了大量研究,以期根据蜘蛛丝聚合物的结构信息通过基因工程的方法人工合成蜘蛛丝,商业化生产蛛丝蛋白[1,2]。
从目前的研究看,对蜘蛛丝的氨基酸组成和基本力学性能已有了较系统的研究,但它的特殊力学性能的形成机理和丝纤维的微细结构以及微细结构和力学性能间的关系尚未被完全揭示。
揭开蜘蛛丝结构和性能的关系对于生物纺丝技术的发展和新型生物材料的开发有着重要的作用[3]。
本文就不同蜘蛛丝的力学性能特征、分子结构及其两者之间的关系作一综述。
1 蜘蛛丝的力学特征111 蜘蛛丝的应力2应变性质丝纤维的力学性能可以用应力2应变曲线来表征。
应力2应变曲线反映了丝纤维在轴线上的变形,是最重要的力学特征[4]。
力学特性实验表明,十字圆蛛(Araneus diadematus )拖丝的起始硬度低于K evlar 、碳纤维、高弹性钢等工程材料,但其硬度比其它的聚合生物材料都高。
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
神奇的蜘蛛丝
蜘蛛丝的显微电镜图
2013-5-21
二、天然蜘蛛丝的特性及其应用
• 3.天然蜘蛛丝有较大的采水性 • 蜘蛛丝具有像糖葫芦串一样的 结构，水珠在纺锤形的结构上从细的位 置向粗的位置运动；纺锤结上还具有纳米丝排列。此原理类似荷叶和 水稻的微纳米结构，一是有序排列，一是无序的。同样的物质通过无 序排列，会形成表面能差。水滴沿着蜘蛛丝线的方向具有周期的表面 能分布和空间构型，亍是水滴可以再蜘蛛丝上稳定存在。蜘蛛丝可挂 住的最大水柱是蜘蛛体积的5000倍
2013-5-21
一、蜘蛛丝的结构及其性能
• 从电子显微镜下观察蜘蛛丝， 可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊 桥樑的大钢索，中间有一根主 要的钢索，而周围又以其他较 小的钢索缠绕着
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 因在亍： 1.丌觃则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性； 2.觃则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。
• 1.天然蜘蛛丝显示出特别的扭转形状记忆效应
• 当蜘蛛丝被扭转到其它准平衡位置时，由亍高阻尼效应， 它几乎丌振荡，并且丌需要任何额外的刺激就能以挃数方 式完全恢复到其初始状态，从而有效防止悬挂在空中的蜘 蛛转动摇摆
2013-5-21
二、天然蜘蛛丝的特性及其应用
• 2.蜘蛛丝吸收振动的能力 十分惊人
神奇的蜘蛛丝
一、蜘蛛丝的结构及其性能
• 天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其 丝腺体分泌的一种天然蛋 白生物材料，属亍一种生 物弹性体纤维，它是自然 界产生最好的结构和功能 材料之一。 • 科学家发现，蜘蛛丝是由 几种氨基酸组成的，这些 氨基酸包括：谷氨酸盐、 丝氨酸、白氨酸、脯氨酸 和酪氨酸等。
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝讲解
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
新型纤维材料-蜘蛛丝与甲壳素
2. 甲壳素和壳聚糖纤维的制备 2.1甲壳素和壳聚糖的制备
虾、蟹壳中甲壳质的含量一般为15%-25%，从虾蟹壳制备甲壳质主要由两 部分工艺组成。
虾、蟹壳主要由三种物质组成，即以碳酸钙 为主的无机盐、蛋白质和甲壳质。
蜘蛛的丝腺与纺丝器
蜘蛛的纺丝器
蜘蛛丝的结构
2.2 蜘蛛丝的功能
(l) 牵引丝：又称拖丝，是蜘蛛走动时腹部拖着并固 定在一端的丝。 “蜘蛛的生命线”
(2) 框丝：构成蛛网的外围框架。 (3) 辐射状丝：构成蛛网的纵向骨架。 (4) 捕获丝：将活的捕获物捆缚住，待需要时享用。
(5) 横丝：当猎物撞击到蛛网上时，横丝能吸收撞 击能，使蛛网不致被破坏，并将猎物粘住 。
4.3 多功能反应性
甲壳素含有羟基、乙酰氧基和氨基多种官能 基团，极具反应活性，可以进行交联、接枝、 酰化、磺化、羧甲基化、烷基化、硝化卤化、 氧化、还原、络合等多种反应。
其分子中的活性侧基为氨基，可酸化成盐。
羧基官能团取代合成侧链铵盐、混合醚、聚 氧乙烯醚等等，制备具有水溶性、醇溶性、 有机溶剂溶解性、表面活性以及纤维性等各 种衍生物。
蜘蛛丝中极性氨基酸含量远大于蚕丝，因此即使处于非
规整排列状态的分子链之间也有较大的作用力。极性基团 相互靠近对齐，使分子间的作用力进一步增加，从而使纤 维的承载能力提高，这是蜘蛛丝虽然结晶度小于蚕丝，但 纤维强度高于后者的原因之一。
3.2 分子构象
蜘蛛丝蛋白主要由非结晶状态部分和结晶状态部分构成。 结晶状态部分主要由丙氨酸残基序列组成， 蜘蛛丝的分子构象为β-
蛛丝具有高强度的根本原因
（1）分子链呈规整排列的结晶区只是影响纤维强 度的因素之一，强度反映的是纤维承担负荷的能力， 因此沿外力作用方向上承载单元的数目以及这些单 元抵抗破坏的能力是纤维强度的决定性因素。
《蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白》 nature
蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白1.概述丝是一种自然界中普遍存在的材料，具有良好的机械性能、生物相容性和生物可降解性。
其中，蚕丝和蜘蛛丝是两种重要的丝蛋白来源，具有广泛的应用前景。
本文将从蚕丝和蜘蛛丝的来源、组成、结构和性能等方面进行介绍，旨在深入探讨这两种丝材料及其丝蛋白的特点和应用。
2.蚕丝2.1 蚕丝的来源与组成蚕丝是由家蚕分泌的丝蛋白变形而成的一种天然蛋白纤维。
家蚕是一种蛾类昆虫，生活史包括卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段。
其中，幼虫阶段是家蚕产丝的重要阶段。
幼虫从头部的丝腺中分泌出丝液，经由复杂的丝针和丝板结构形成丝线，最终编织成茧。
蚕丝主要由丝蛋白组成，丝蛋白是一种高分子蛋白质，含有丰富的丝素和丝胶蛋白。
丝素是主要的结构蛋白，具有优异的抗拉伸性能；丝胶蛋白则是蚕丝的粘性物质，有助于粘合丝线。
2.2 蚕丝的结构与性能蚕丝具有良好的机械性能，其拉伸强度、弹性模量和韧度均优于其他纤维材料。
蚕丝还具有良好的生物相容性和水解性，对人体无害，且可以被生物降解。
3.蜘蛛丝3.1 蜘蛛丝的来源与组成与蚕丝类似，蜘蛛丝也是一种天然蛋白纤维，由蜘蛛分泌而成。
蜘蛛是一种捕食性的节肢动物，能够产生多种类型的丝线，包括捕食网丝、安全丝和交配丝等。
蜘蛛丝主要由蛋白质和小分子有机化合物组成，具有优异的拉伸性能和粘附性能。
3.2 蜘蛛丝的结构与性能蜘蛛丝的力学性能优于钢铁和纳米碳管等材料，具有优异的韧性和抗拉伸能力。
蜘蛛丝还具有良好的生物相容性和生物可降解性，对人体无害，且可以被生物降解。
4.丝蛋白的应用丝蛋白具有良好的生物相容性、生物可降解性和良好的机械性能，因此在生物医学、医药、纺织、材料等领域具有广泛的应用前景。
丝蛋白可以用于生物医用材料的制备，包括生物医用植入材料、生物医用包扎材料、生物医用缝合线等；丝蛋白还可以用作纺织原料，制备高档服装面料、家居纺织品等。
结论蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白是一类具有良好性能和广泛应用前景的材料，具有优异的机械性能、生物相容性和生物可降解性等特点。
蜘蛛丝
1、3、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。
为什么蜘蛛网如此坚固
为什么蜘蛛网如此坚固蜘蛛网是自然界中最耐用、最坚固的结构之一，它能够抵御风雨、抓住猎物，并保持结构的稳定性。
这种令人惊叹的强度来自于蜘蛛网的独特构造和材料选择。
本文将深入探讨蜘蛛网如此坚固的原因。
第一节：蜘蛛网的结构蜘蛛网的结构可以分为两部分：框架和支撑线。
框架由粘蛛丝构成，形成了网的整体形状，而支撑线则连接在框架上，增加了网的稳定性和强度。
蜘蛛网主要由两种不同类型的蛛丝组成：刚性支撑线和粘性捕食线。
刚性支撑线用于形成网的轮廓，相当于框架的作用。
粘性捕食线则用于捕捉猎物。
第二节：蛛丝的特性蛛丝是蜘蛛网坚固性的关键所在。
事实上，蜘蛛丝比钢材还要坚固，同时又具有良好的延展性和韧性。
蛛丝的坚固性来自于其化学组成。
蛛丝富含蛋白质，特别是一种叫做“蛛素”的蛋白质。
蛛素具有高强度和抗拉性能，使得蛛丝能够经受住外力的拉扯。
此外，蛛丝还有一个独特的特点，即在受力时可以发生结构改变。
当外力作用于蛛丝时，蛛丝可以通过重组蛋白质链来适应外力的方向和大小，这使得蛛丝能够抵御外力并保持结构的稳定性。
第三节：蜘蛛网的形状蜘蛛网独特的形状也是其坚固性的一个重要因素。
蜘蛛网通常呈现出对角线的结构，这种形状可以使网具有更大的强度和稳定性。
对角线结构的另一个好处是分散外力。
当外力作用于网上的一小部分时，对角线结构会把这个作用力分散到整个网上，从而减少了对某一个位置的载荷，使整个网更加坚固。
第四节：蜘蛛网的粘性蜘蛛网的可粘性是其成功捕捉猎物的关键。
蜘蛛丝上有许多微小的颗粒，这些颗粒能够吸附空气中的水分，形成水点。
当一只昆虫接触到蜘蛛网时，它会粘在水点上，水分的粘性能够迅速将猎物固定在网上，使其无法逃脱。
此外，蜘蛛丝表面还有微观的刺刺，这些刺能够增加表面积，从而提高粘附力。
第五节：军用技术的借鉴蜘蛛网的坚固性已经引起了科学家和工程师们的兴趣，他们试图借鉴蜘蛛网的结构和特性来改进人造材料和结构。
许多军用技术已经成功地利用了蜘蛛网的原理。