蜘蛛丝的应用及合成

“蚕吐丝”途径
利用转基因技术，将蜘蛛“牵引丝”部分的基因 通过“电穿孔”的方法注入蚕卵中，在家蚕的基因重 链中就产生部分蜘蛛牵引丝的基因。从而使蚕丝的 易折皱变形、弹性小等性能得到改进。中科院上海 生命科学研究院［6］用转基因方法，在国际上首 次实现了绿色荧光蛋白与蜘蛛丝融合基因在家蚕丝 基因中的插入，并获得了荧光茧———一种高级的 绿色环保材料。
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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。
蜘蛛丝的合成技术
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，人工合成其类似基因 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。
用于航天材料
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目前，科学家表示，蜘蛛丝喷涂石墨烯和碳纳米管微粒将具有超 强韧性，甚至未来这种材料可用于捕获空中坠落飞机。 制造轻便的航天服 开发轻便耐极端条件的航天材料
在纺织方面
英国艺术家Simon Peers 花了5年时间使用蜘蛛丝纺成的一块布。目前 这玩意正在纽约美国自然历史博物馆上展出。它长3.35米，一共花费 30w英镑。据说所有的丝提取自100多万只马达加斯加岛golden orb 雌 性蜘蛛。
在大片《蜘蛛侠》中，主人公彼得· 帕克被 一只经过基因实验改造的蜘蛛咬 伤后，具有了 不可思议的超人力量。身穿蜘蛛服的彼得，靠 一根蛛丝，在摩天大 楼的墙壁上疾速飞驰，为 了保护城市的安全与“绿恶魔”殊死搏斗，最终 成为救 人于危难的超级英雄。 然而，这种电脑创造的科幻技术目前正在 被美军一步步变成现实。据悉，美 军目前正在 用新技术打造像“蜘蛛侠”一样的“战争超人”。美 军宣称，不久的 将来，美军的士兵们将会穿着 蜘蛛丝制成的战斗服参加战斗，这种战斗服既 轻便 又灵活，同时还可以防弹。
市场需求


医用纤维生产商Acordis特种纤维公司与Nexia生物技术公 司扩大了合作协议,以开发用于Nexia的蜘蛛丝生产BioSteel 纤维纺丝工艺。 由于其高性能(韧性、强度、轻)与生物降 解性的独特结合,蜘蛛丝一直受到科学家的推崇。Nexia一 直将BioSteel-M的开发重点放在医疗装置上,因其代表高价 值及广大的市场。 目前，据说生产这种仿蜘蛛丝的费用可降低到每公斤50 美元以下，而蚕丝的平均生产费用也要每公斤26-33美元。
8.蛛丝作战服具有红外探测、生化传感器、日夜视频相机等功能。 9.蛛丝作战服具有生物传感器的作用，可以探测士兵的心跳、血压等，相 当于一个时时刻刻在身边的私人医生。 10.在电子领域，仿蛛丝作为良好的生物半导体，用于计算机材料，更加轻 便。 11.在医疗方面，与人体有很好的兼容性，可作为很好的生物的材料。 12作为建筑材料，可以调节居室的温度、湿度、以及空气清新度。 13作为建筑材料，具有优良的抗震性能。
人造基因蜘蛛丝，也称生物钢，它比普通钢强 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，让我们对比一下，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。 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。
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丝蛋白 基因注入土豆和烟草等植物中，以使这些植物在它 们的组织中制造大量的丝蛋白，通过植物大面积的 种植，获取丝蛋白。提取这类植物中的类似于蜘蛛 丝蛋白的蛋白质，用作纺纱的原料。用所得到的植 物蛋白质进行纺丝，这种丝可制织具有超强韧性的 工程材料及能自行分解的化学织物，减少了对环境 的污染，成本可能还要低廉。因此成功地培育出能 够生产丝蛋白的转基因植物，将大量制取丝蛋白开 辟新途径。
蜘蛛丝的应用
蜘蛛丝的结构特点决定了其理化性质与蚕丝相 比，具有非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝 纤维与强度最高的碳纤维及高强合纤Aramid、Kelve， 等强度相接近，但它的韧性明显优于上述几种纤维。 因此，蜘蛛丝纤维在国防、军事（防弹衣）、医疗、 建筑、纺织等领域具有广阔应用前景[3]
在军事方面
方案筛选
选择 依据 市场 需求 性 科学 成熟 性 工程 安全 性 总分 权重 A B C D E F G
0.4
6
9
9
6
9
4
7
0.4
5
9
5
5
5
5
7
0.2
5
9
5
5
5
5
7
1
5.4
9
6.6
5.4
6.6
4.6
7
最终确定高于5分的方案。即ABCDEG A. 轻便舒适。（16.17） B. 具有具有调节温度的作用，即冬暖夏凉。（4，5，6， 12） C. 红外探测功能。（8，9，14） D. 在极端条件下不影响性能。（7，15） E. 提供氧气。（7，12） F. (G)特定条件下才能降解。（2）
蜘蛛丝的应用及合成
蜘蛛丝结构特性
蜘蛛丝主要由甘氨酸，丙氨酸及小部分的丝氨 酸加上其它氨基酸单体分子聚合而成。其分子链中有 晶区和无定形区。晶区分子高度取向，结晶区被无 定形区分开并占一定体积 ，是其具有高强度 、高 韧 度 、高 粘 弹 性 的 基 础 ；无定形区结构分子链能形 成伸展的聚合玻 璃 态 ，这是蛛丝具有高弹性 、高平 衡 阻滞能力的原 因 。
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。
14.时刻监视建筑内外，保障社区安全。
15.在航天方面，闹高温，耐极寒。
16.航天服轻便舒适。 17.航天材料强度高，质量轻。 18.航天材料同样应具有红外探测及卫星遥感 技术。
方案分类
A. B. C. D. E. F. G.
轻便舒适。（16.17） 具有具有调节温度的作用，即冬暖夏凉。（4，5，6， 12） 红外探测功能。（8，9，14） 在极端条件下不影响性能。（7，15） 提供氧气。（7，12） 具有疏水抗压性能。（3，4） 特定条件下才能降解。（2）
用户需求
1.防蜘蛛丝纤维仍具有可降解能力，不会对环境造成污染。 2.用于军事、航天、医疗、建筑等方面的放蛛丝材料的降解条件应较苛 刻，不能产生安全隐患。 3.仿蛛丝纤维制成的服装应耐脏。 4.放蛛丝衣服应耐洗涤，不变形。 5.仿蛛丝衣服除了具有一般蚕丝衣服的特性外，还能根据环境温度自行 调节，起到冬暖夏凉的效果。 6.在军事方面，仿蛛丝纤维防弹衣也能起到调节冬暖夏凉的效果。 7.蛛丝制成的战甲可以抵抗艰苦的环境，比如可以在水底呼吸，在高海 拔地带提供氧气等。
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。