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（NH
2-CH
2
-COOH）、丙胺酸
（NH
2-CH(CH
3
)-COOH）及小部分的丝胺酸（NH
2
-CH(CH
2
OH)-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。

1.3性能和特点
蜘蛛制造的蜘蛛丝是蛋白质。

这种蛋白质蜘蛛丝是人们所知道的强度最高的纤维，并且具有优异的弹性，其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。

就强度而论，蜘蛛丝甚至优于高性能的Kevlar 纤维，虽然两种纤维都有类似的高强度水平，但Kevlar纤维在断裂之前仅能延伸其原长的4%，而蜘蛛丝的断裂伸长可达30%。

据科学家研究试验，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗细的不锈钢钢筋还要坚强有力。

它能够承受比钢筋还多5倍的重量而不会被折断。

虽然一些蜘蛛丝细如头发，但你可别轻视它的能力和作用！蜘蛛丝非常富有弹性，一条直径只有万分之一毫米的蜘蛛丝，可以伸长两倍以上才会拉断。

另蜘蛛丝由蛋白质组成，只要丝浆不完，可以想要多长就抽多长。

理论上可以边喂蜘蛛边抽蜘蛛丝。

2 蜘蛛丝结构
首先让我们来看一下蛛网的结构。

虽然不同种类的蜘蛛所织的网常有差异，但是一般都有放射状的蜘蛛丝和椭圆形的蜘蛛丝两种。

蜘蛛在结网时，会先构筑放射状的骨架丝线———纵丝。

纵丝主要是支撑蜘蛛网结构的，强度大，但无黏性。

在骨架完成后，蜘蛛会接着以逆时针的方向织造螺旋状丝线，科学家称其为横丝。

如果仔细观察，就会发现横丝上有水珠似的凸起，它们被称为黏
珠，其黏性让误闯入的昆虫难以脱身。

蜘蛛的高明之处就是它能吐出不同种类的丝。

蜘蛛的腹部尾端一般有6至8个纺丝器，与每个纺丝器对应的是蜘蛛身上功能各异的腺体，每个脾体能产生不同的丝线原料，蜘蛛视需要而吐出不同的原料，从而织造出黏的和不黏的两种丝线。

蜘蛛在网上活动时，会选择在没有黏性的纵丝上，避免被黏住。

3 蜘蛛丝的获取
蜘蛛丝除了通过人工收集天然蜘蛛丝，惟有通过基因工程手段才能大量获取。

蜘蛛是独行动物。

具有相互蚕食的习性，不可能像家蚕那样高密度驯l养，而且蜘蛛的产丝量很少。

因此，要获得具有商业用途的低成本蜘蛛丝，惟有通过基因工程途径，先获得大量的重组蜘蛛丝蛋白，进而通过纺丝工艺制成纤维。

目前，已有通过多种不同的基因表达系统生产重组蜘蛛蛋白的报道。

譬如，Fahnestock等报道在大肠杆菌中表达了蜘蛛牵引丝蛋白，但发现大于3 kb的基因表达效率降低。

并有基因删节表达现象。

Miao等利用家蚕核多角体杆状病毒表达系统有效表达出737 kDa左右的鞭毛丝蛋白。

Lazaris等利用牛乳腺细胞和仓鼠肾细胞表达系统，成功地表达出60—140kDa的蜘蛛牵引丝蛋白，并且经过特殊工序得到了高质量的蛋白质纤维。

Scheller等将蜘蛛牵引丝蛋白基因Maspl 转化到马铃薯和烟草中，重组蛋白质分子质量高达1OOkDa、含量约占总蛋白的2％。

Yang等利用植物细胞器定位序列实现了类蜘蛛牵引丝蛋白DPIB在拟南芥转基因植株中的高水平表达。

在叶片和种子中的含量分别占总蛋白的8．5％和18％。

我国开发和使用蚕丝具有悠久的历史，茧丝生产量在世界上占据主导地位[3]。

在国F3~I"，在家蚕丝腺中定点表达蜘蛛丝的研究未曾见报道，故探索在家蚕丝腺中表达蜘蛛丝。

直接利用家蚕本身的吐丝系统，越过目前仿蜘蛛丝研究中的人工纺丝的难关，创造能够吐含蜘蛛丝纤维的新型转基因家蚕，有望实现高性能蜘蛛丝的大量生物仿造。

目前在人工表达生产蛛丝蛋白方面仍然存在一些问题：(1)和天然丝蛋白相比，人工丝蛋白基因及其表达还不是争长度的；
(2)表达效率还较低，而且存在表达系统的稳定性问题；(3)表达的丝蛋白一般不具有分子取向(4)还不能够模拟蜘蛛丝的纤维化过程，将人工丝蛋白制成具有天然丝纤维特性的人工丝。

这其中最为关键的因素就是因为天然蛛丝蛋白在形
成丝纤维过程中，丝蛋白分子要在蜘蛛的丝腺中逐步脱水．才能排列有序成为液晶态，最终经吐丝器牵引或拉仲而成一定结构和性能的丝纤维，所以由人工表达生产蛛丝蛋白到具有天然丝纤维特性的蛛丝，这中间的加工工艺还有待研究。

4 应用前景
4.1应用领域
尽管有的高性能化学纤维的力学特性已经超过蜘蛛丝，但蜘蛛丝的某些特性仍是化学纤维所不可匹敌的。

在试图寻找能克服蚕丝等生物纤维的弹性不好等缺点料过程中，发现蜘蛛丝在许多力学特性上优于蚕丝。

故科学家们认为蜘蛛丝具有非常广泛的应用前景。

前面提到,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
以拉住一架正在飞行的喷气式飞机,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,是生物可降解的可循环再生的材料,因而被世界各国普遍看好。

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。

也可以用于制造坦克和飞机的装甲,以及军事建筑物的“防弹衣”等。

在航空航天方面,可用于结构材料、复合材料和宇航服装等。

在建筑方面,结构材料和复合材料,用于桥梁、高层建筑和民用建筑等。

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。

在医学和保健方面,尤其有广泛用途。

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等特细和超特细生物可降解外科手术缝合线。

污染的塑料等．
蜘蛛纤维除具备“五大保健功能”外。

同时具备“三大服用舒适功能”的保健纤维。

三大服用舒适功能：
1)热湿舒适功能：导湿快、透气好、干爽舒适。

2)接触舒适功能：手感柔软、滑爽。

没有其它化纤织物的玻璃状平滑感。

3)压感舒适功能：轻柔、膨松，织物带有毛羽，亲肤效果更佳。

蛛丝是蜘蛛赖以为生的“法宝”。

蜘蛛借助蛛丝捕捉猎物、储存食物和繁殖后代。

蛛丝由蜘蛛腹部的丝腺分泌并形成。

丝腺分泌一种胶状丝浆，而丝浆则在喷丝口与蛋白融合反应，形成蛛丝。

4.2具体实例---黑寡妇
“黑寡妇”是一种毒性很强的蜘蛛，美国加州大学河滨分校的科学家14日宣布，已经辨认出“黑寡妇”蜘蛛丝两种关键蛋白质的基因和DNA序列，未来人们可以仿造这种蜘蛛丝，并制成一种超强护身盔甲。

黑寡妇蜘蛛被认为是世界上最毒的蜘蛛，最新研究成果或许有助于改变它在人们心目中的形象。

蛛丝是自然界最理想的纤维材料之一，强度竟然超过所有其他天然纤维，甚至连以坚韧著称的钢丝和凯夫拉纤维都望尘莫及，尤其以高强度、高韧性著称。

研究表明，蜘蛛可以针对不牵引丝是蜘蛛用于搭建蛛网的丝，在各种蛛丝中最为坚固[4]。

与一般蜘蛛不同，黑寡妇蜘蛛的牵引丝有着更加出众的性能，无论强度还是伸展性都更胜一筹。

这赋予了黑寡妇蛛丝承受更大拉力和形变的能力。

据记载，黑寡妇蛛丝在拉断前可以延伸27%，强度则超过普通蛛丝的2倍。

据悉，目前市场上还没有出现与蛛丝相关的产品。

但科学家认为，新发现有助于新一代高强度合成纤维工业新材料的开发。

在黑寡妇蛛丝启发下开发形成的新一代高强度合成纤维将在医药、工程、体育、军事等领域大显身手。

新一代合成纤维可以用于制造坚固而轻便的护甲，更加坚韧的手术线、人造腱、人造韧带以及各种新型运动护具等。

德国一些科学家已经证实，借助现已破译的蛛丝遗传密码，科学家可以在诸如细菌、植物或动物等不同宿主身上合成产生构成蛛丝的关键蛋白。

研究小组面临的下一个难题是，如何把合成产生的关键蛋白制造成人造蛛丝。

5 结语
总之,目前这种纤维的呼声很高,特别是如果能用转基因的方法从羊奶、牛奶中大量获得蜘蛛丝蛋白,则这种转基因仿蜘蛛丝在价格上完全可与对位芳纶竞争。

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,而目前蚕丝的平均生产费用也要每公斤26～33 美元。

参考文献：
[1] 陈建洪.动物百科全书[M].商务出版社，2001
[2]蔡再生．纤维化学与物理[M]．中国纺织出版社，2009
[3]周培，邹竹荣，曹丽娟，苏裕．蜘蛛丝蛋白基因的合
[4]成及其串联体在大肠杆菌中的表达[J].中国农业科技导报，2007，9．
[5]赵爱春，夏庆友，鲁成向，仲怀．超级纤维蜘蛛丝的研究动向[L]．蚕学通讯，2007，6。