天然蜘蛛丝仿生材料ppt课件
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仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料
１０６８高等学校化学学报Ｖ０１．３ｌ层层组装复合材料膜的固化过程，所制备的复合材料具有单一组分３倍的强度和韧性．通过这种多层次结构仿生层层组装法，制备高强度高分子复合体系材料，打破了传统物理复合增强方法局限于特殊纳米材料／高分子体系的格局，从一个完全不同的视野给人们展示了一种全新的仿生设计方法．高分子材料通常具有较低的密度，以高分子复合体系制备的天然蜘蛛丝仿生材料具有轻质特点．有关采用多层次结构仿生层层组装法制备天然蜘蛛丝仿生材料的研究报道很少，该方法还未发现用于天然蜘蛛丝仿生材料的制备．２．５金属元素仿生渗透注入法自然界某些生物体，如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等，由于含有极为少量的金属元素（如Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃａ，Ｃｕ等）而大大改善了这些部位的力学性能，特别是其刚度和硬度啪。
引．人们模仿生物体的这种特性，对天然蜘蛛丝自身进行了仿生修饰．Ｌｅｅ等Ⅲ。
通过多重脉冲气相渗透技术Ｆｉｇ．２ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｆＰＵ／ＰＡＡｉａｙｅｒ．ｂｙ．（ＭＰＩ），将金属ｚｎ，Ｔｉ和Ａｌ引入到天然蜘蛛丝中，蛔ｅｒａ跚ｍｂｌｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍ脚…他们认为在水蒸气和副产物气体（如甲烷或者异丙（Ａ）ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｃｅｄｕｍｆｏｒｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｆＰＵ／ＰＡＡｆｉｌｍｓ：醇）破坏蜘蛛丝分子间氢键的同时，一方面，Ｚｎ２＋，（１）ｔｈｅｆｉｌｍｓａｌｌｏｗｅｄｓｗｅｌｉｎｗａｔｏｒ，（２）ａｎｙｎｕｍｂｅｒｏｆＡ１３＋和Ｔｉ４＋金属离子在氢键位点形成了金属．蛋白丘ｈｍ锄８眦ｋｅ８ｔｏｇｅ山”ｉｎｔｏ““批“栅咖陀岫ａｃｈｌ叭”‘络合物或更强的共价键，另外使卢一折叠片晶相尺寸：：：‰芝，血ｅ慧＝＝譬乏ｕ伽：减小，非晶相组分则相对增加，从而使天然蜘蛛丝ｅｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ岫ｋｉｓｌ＇ｅｍｏｖｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｒｅｓｓ；（Ｂ）ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｏｆ的强度、模量、伸长率及坚韧性大大提高．图３为１００．ｂｉｌａｙ。
天然蜘蛛丝仿生材料课件ppt
蛋白基因仿生生物表达法
蜘
蛛
链段及二次结构仿生化学合成
丝
仿
微观结构仿生物理复合法
生
思
金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性
路
……………………
Heim2M0.2, K1/e3e/r1l D0. Scheibel T., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(20), 3584-3596
蜘蛛属肉食性动物，不喜群居；再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时，蜘蛛之 间会相互撕咬，则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝；并且由于蜘蛛 本身腺体较多，不同腺体产生的丝性能不同，无法得到单一性质的蜘蛛丝。
另外，由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需，则 应用范围收到极大限制，因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相 似结构和功能的新材料。其中，利用仿生学原理，通过研究蜘蛛丝的结构和功能， 来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。
2021/3/10
8
Lewis R. V. et al.,Protein Exp Purif,1996(7):400-406.
微生物作为载体进行基因表达
收集菌体通过超声波破碎法裂解，清 洗后经行电泳实验测定蛋白。
植物作为载体进行基因表达
Potato Grater
Fractioning in wet-process
11
Lazaris A, et al. Science, 95(2002), pp. 472-476
2.2 链段及二次结构仿生化学合成法
天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元（主要为丙氨酸和甘氨酸 单元）组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β-折叠构象和螺旋构象，通过 链段及二次结构仿生化学合成法，从分子结构出发，可以设计具有天然蜘蛛丝 蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物，这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展 开拓了一个崭新方向。
生物质高强纤维-蜘蛛丝
生物质高强纤维——————蜘蛛丝生物质纤维是指利用生物体或生物提取物制成的纤维，按来源可分为动物源纤维、植物源纤维和微生物质纤维三大类。
按加工方法可分为生物质天然纤维和生物质化学纤维。
其中，生物质天然纤维分为植物源纤维（如：棉、麻）、动物源纤维（如：毛、蚕丝、蜘蛛丝）；生物质化学纤维分为植物源纤维（再生植物纤维素纤维、纤维素酯纤维、再生植物蛋白质纤维、海藻纤维）；动物源纤维（再生动物蛋白质纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维）；微生物质纤维素纤维（细菌纤维素纤维、细菌甲壳素纤维、聚羟基脂肪酸酯纤维）等。
蜘蛛丝作为生物质纤维中的一种，具有超强的韧性与抗断裂机能，又同时具有质轻、抗UV与生物可分解等特点，制成纤维后可应用在科技、国防、医疗等领域。
其优异的物理性质是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的，是一种优异的生物质高强纤维，因而引起了世界各国科学家的兴趣与关注。
1、需求分析由于蜘蛛丝本身的特性，决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用需求。
医疗卫生方面蜘蛛丝主要成分是蛋白质，人们目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点。
又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织,同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料。
蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水－空气界面的通透性。
与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳。
丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、扩展、分化和生长作用。
丝基质还有机械诱导作用，通过调整丝基质的硬度，提供控制基质的最终机械特性来模仿天然机体组织的机械特性和支持宿主组织内生长，蛛丝蛋白是组织工程支架材料的有力竞争者。
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
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7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
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2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
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固 气液
固液
(2)浸渍润湿
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2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
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水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
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Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
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
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。
蜘蛛丝：从天然到生物启发的材料
知的蜘 蛛 超 过 ４ ０ １０ ０种 ， 部 分 大 用 所谓 的 圆 形 网狩 猎 。圆 形 网 主
大多 数蜘 蛛 同类相 食 ， 因而 不 能 在 大型 养殖 场获 得 蜘蛛 丝。 而且 ， 从 监 禁 的蜘 蛛得 到 的丝 ， 量 通 常低 质 于天然 产 生的 丝 。因此 ， 获得 （ ） 仿
ｄ ｒ ． Ｒ ｃ ｎ ｒｇ ｅ ｓｉ ｓａ ｌ ｈ ｎ ｅ ｏ ｉ ａ ｔ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｐ ｎ ｐ ｔ ｅ ｐ ｓ ｉ ｉ ｔ ｏ ｐ ｏ ｕ ｅ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔ ｏ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔｂ ｉ ｉ ｇ ｒ ｃ ｍｂ ｎ ｎ ｏ ｕ ｔ ｈ ｉｕ ｓｏ ｅ ｓｕ ｈ ｏ ｓｂ ｌ ｙ ｔ ｒ ｄ ｃ ｐ ｓ ｐ ｏ ｅ ｉ
纤 － 线 维 纱 ５
蜘 蛛 丝 ： 天 然 到 生 物 启 发 的材 料 从
Ｔ ｃｅ ｅ ．Ｓ ｈ ｉ ｌ ｂ 拜 罗伊特 大 学 （ 国） 德
摘
要： 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
腔后 ， 蛋 白 质 主 要 是 非 结 构 化 丝
的， 大部分分子的构象是无规线团 或聚脯 氨酸状 的。这样 的构 象是
在腺 体 中 获 得 高溶 解 度 所 必 需 的 （ 蜘蛛 丝 蛋 白质 储 存质 量 浓度 通 常
１ 蜘蛛产 生各 种不 同的丝 ２ 重 组体 生 产
蜘蛛 为 了捕捉 猎 物 ， 备 不 同 具
蜘 蛛丝 蛋 白质 的 唯 一 方 法 是 依 赖 生物技 术 生产 ， 宿 主 生 物体 内重 在
丝纤维 晶区 中发现 的那样 。 折 叠晶体反映 了各向异性 的内含物
大多 数蜘 蛛 同类相 食 ， 因而 不 能 在 大型 养殖 场获 得 蜘蛛 丝。 而且 ， 从 监 禁 的蜘 蛛得 到 的丝 ， 量 通 常低 质 于天然 产 生的 丝 。因此 ， 获得 （ ） 仿
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纤 － 线 维 纱 ５
蜘 蛛 丝 ： 天 然 到 生 物 启 发 的材 料 从
Ｔ ｃｅ ｅ ．Ｓ ｈ ｉ ｌ ｂ 拜 罗伊特 大 学 （ 国） 德
摘
要： 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
腔后 ， 蛋 白 质 主 要 是 非 结 构 化 丝
的， 大部分分子的构象是无规线团 或聚脯 氨酸状 的。这样 的构 象是
在腺 体 中 获 得 高溶 解 度 所 必 需 的 （ 蜘蛛 丝 蛋 白质 储 存质 量 浓度 通 常
１ 蜘蛛产 生各 种不 同的丝 ２ 重 组体 生 产
蜘蛛 为 了捕捉 猎 物 ， 备 不 同 具
蜘 蛛丝 蛋 白质 的 唯 一 方 法 是 依 赖 生物技 术 生产 ， 宿 主 生 物体 内重 在
丝纤维 晶区 中发现 的那样 。 折 叠晶体反映 了各向异性 的内含物
神奇的蜘蛛丝
• 蜘蛛丝是一根极细的螺线，看 上去像长长的浸过液体的“弹 簧”一样，当“弹簧”被拉长 时它会竭力返回原有的长度， 但是当它缩短时液体会吸收全 部剩余能量，同时使能量转变 成热量
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。
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。
蜘蛛丝仿生材料
图1 蜘蛛丝的显微电镜图
1. 天然蜘蛛丝结构、功能及应用。 1.3 天然蜘蛛丝有较大采水性 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 过无序的排列，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，于是水 滴可以在蜘蛛丝上稳定存在。蜘蛛 丝可挂住的最大水柱是蜘蛛丝体积 的5000倍。
2. 天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料。
由于蜘蛛属肉食性动物不喜欢群居，当几只蜘蛛被放 在一起时，它们之间往往会相互撕咬，所以难以像养家蚕 那样大量饲养蜘蛛；而且，蜘蛛本身存在很多丝腺器，不 同腺器产生的丝性能不同，很难收集性能单一的丝。此外， 天然蜘蛛丝还难以直接加工成其它特定形状以供不同用途 所需。由于以上原因，天然蜘蛛丝自身很难批量生产，其 应用范围也受到了很大限制，因此需要寻求新的方法和途 径，以大量获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料。 因此利用仿生学原理，在认识天然蜘蛛丝结构和功能的基 础上，设计、制备天然蜘蛛丝仿生材料，具有重大的科学 意义和应用价值。
1. 天然蜘蛛丝结构、功能及应用。 1.1 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，由于高阻尼效应，它 几乎不振荡，并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢 复到其初始的状态，从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆。 1.2 蜘蛛丝吸收振动的能力十分惊人 蜘蛛丝是一根极细的螺线，看上 去像长长的浸过液体的“弹簧”一样 （图1），当“弹 簧”被拉长时它会竭 力返回原有的长度，但是当它缩短时 液体会吸收全部剩余能量，同时使能 量转变成热量。
2.天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料。 2.1蛋白基因仿生生物表达法 构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因，采用生物工程技术 手段，将这些蛋白基因寄托于某种生物载体(如细菌、酵母、 植物、哺乳动物、昆虫等)进行表达并生产，从而获得包含天 然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料，最后，将这些仿 生蛋白原料加工成所需要的形态（如纤维）进行利用。此方 法已进入工业应用阶段。
动植物仿生学应用举例课件x
01
推进方式
海豚通过摆动尾巴进行推进，这种推进 方式被潜水艇设计所借鉴，实现了更高 效、更安静的水下航行。
02
03
潜水深度
海豚能够潜到很深的海洋底部，这种 潜水深度和耐压能力为潜水艇的设计 提供了参考。
蜘蛛丝与新型材料
超强韧性 蜘蛛丝具有超强的韧性和弹性，可以承受很大的 拉力和压力，这使得它成为制作新型材料的一个 理想选择。 生物相容性 蜘蛛丝还具有良好的生物相容性，可以用于制作 生物医学材料，如人工韧带和人工肌肉。
水中动物与船舶设计
海豚与潜艇
海豚的身体形态和游泳方式为潜艇设计提供了灵感。潜艇的外形和流线型设计 以及推进方式都受到海豚的启发，使得潜艇能够更高效地在水下运行。
鱼类与船舶设计
鱼类的游动方式和身体结构为船舶设计提供了灵感。仿生船舶设计能够实现更 高效、节能的航行，例如流线型船体设计和仿鱼鳍推进器等。
陆地动物与交通工具设计
昆虫与机器人
昆虫的移动方式和身体结构为机器人设计提供了灵感。仿生机器人能够实现更灵活、敏捷的运动，例如具有多足 行走能力的机器人和具备跳跃功能的机器人等。
鹿与车辆
鹿的鹿角和身体结构为车辆设计提供了灵感。仿生车辆设计能够实现更安全、舒适的行驶，例如车辆碰撞预警系 统和车辆稳定性控制系统等。
社会进步
通过动植物仿生学的研究和应用，提高人类对自然 和生命的认识和理解，促进社会文明进步和和谐发 展。
生态平衡
借鉴生物体的生态和环境适应机制，设计出 更环保、节能、可持续的环境治理方案，促 进生态平衡和可持续发展。
05
动植物仿生学应用实例展 示
鸟类与飞机设计
鸟类的飞行动力学
飞机设计借鉴了鸟类的飞行动力学，如翅膀的形状和 运动轨迹，以实现更高效、更稳定的飞行。
仿生材料PPT课件
田径比赛
起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
第二节 人类仿生的发展历史
鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子
观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
第一章 绪 论
第一节 仿生学
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
《仿生设计》课件
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
仿生设计的起源与发展
起源
仿生设计最早可以追溯到古代，人们就开始模仿自然界的生物来制作工具和器 皿。
发展
随着科技的不断进步，人们对自然界的认识越来越深入，仿生设计的应用范围 也越来越广泛，涉及建筑、工业设计、产品设计、交通工具等多个领域。
仿生设计的应用领域
建筑
模仿自然界生物的形态和结构，创造出具有独特 美感和功能的建筑。例如，模仿蜂巢的六边形结 构建造的蜂巢式建筑，具有很高的强度和稳定性 。
人性化
仿生设计将更加注重人性化，更好 地满足人类需求，提高生活质量和 幸福感。
仿生设计面临的挑战
技难度
仿生设计需要高精度的制造技术和复杂的控制系 统，实现难度较大。
成本问题
仿生设计需要大量的研发和制造成本，价格较高 ，难以普及。
法律法规
仿生设计可能涉及到伦理和法律法规问题，需要 制定相应的规范和标准。
模仿生物的形态和运动方式，优化交通工具的设 计，提高其性能和舒适性。例如，模仿海豚的流 线型身体设计的汽车，具有很好的空气动力学性 能和节能效果。
02
仿生设计的基本原理
形态仿生
总结词
通过对自然界生物形态的模仿，将生物的外观特征应用到设 计之中。
详细描述
形态仿生是通过观察和研究生物的外观特征，将这些特征应 用到产品设计中，使产品具有类似生物的外观。这种仿生设 计能够赋予产品独特的视觉效果，吸引人们的注意力。
仿生设计的未来发展方向
跨界合作
仿生设计需要不同领域的专业人才进 行合作，共同推动技术进步和应用拓 展。
创新驱动
拓展应用领域
仿生设计的应用领域将不断拓展，不 仅局限于机器人和医疗器械等领域， 还将渗透到建筑、交通、艺术等领域 。
仿生设计的起源与发展
起源
仿生设计最早可以追溯到古代，人们就开始模仿自然界的生物来制作工具和器 皿。
发展
随着科技的不断进步，人们对自然界的认识越来越深入，仿生设计的应用范围 也越来越广泛，涉及建筑、工业设计、产品设计、交通工具等多个领域。
仿生设计的应用领域
建筑
模仿自然界生物的形态和结构，创造出具有独特 美感和功能的建筑。例如，模仿蜂巢的六边形结 构建造的蜂巢式建筑，具有很高的强度和稳定性 。
人性化
仿生设计将更加注重人性化，更好 地满足人类需求，提高生活质量和 幸福感。
仿生设计面临的挑战
技难度
仿生设计需要高精度的制造技术和复杂的控制系 统，实现难度较大。
成本问题
仿生设计需要大量的研发和制造成本，价格较高 ，难以普及。
法律法规
仿生设计可能涉及到伦理和法律法规问题，需要 制定相应的规范和标准。
模仿生物的形态和运动方式，优化交通工具的设 计，提高其性能和舒适性。例如，模仿海豚的流 线型身体设计的汽车，具有很好的空气动力学性 能和节能效果。
02
仿生设计的基本原理
形态仿生
总结词
通过对自然界生物形态的模仿，将生物的外观特征应用到设 计之中。
详细描述
形态仿生是通过观察和研究生物的外观特征，将这些特征应 用到产品设计中，使产品具有类似生物的外观。这种仿生设 计能够赋予产品独特的视觉效果，吸引人们的注意力。
仿生设计的未来发展方向
跨界合作
仿生设计需要不同领域的专业人才进 行合作，共同推动技术进步和应用拓 展。
创新驱动
拓展应用领域
仿生设计的应用领域将不断拓展，不 仅局限于机器人和医疗器械等领域， 还将渗透到建筑、交通、艺术等领域 。
新型天然纤维PPT课件
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罗布麻纤维的形态结构
• 罗布麻纤维的横截面是 带沟槽的椭圆形，中间 有一个椭圆形的气孔。 罗布麻纤维的这种结构， 使纤维具有吸汗、透气 的功能，所以由罗布麻 纤维做成的内衣具有清 爽的感觉，又具有远红 外功能，同时具备保暖 的功能。
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罗布麻纤维的保健功能
• 罗布麻纤维经江苏微生 物所分析检测，对大肠 杆菌、白色念珠菌、金 葡萄的抑制率达95%以 上。罗布麻纤维制成的 内衣具有明显的抑菌功 能。
•竹原纤维：截面椭圆形或腰原形，有中腔， 截面边缘有裂纹，和许多微孔；纵向有横节。
竹原纤维横截面
纵截面
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•竹浆纤维：截面锯齿形有许多微孔；纵向有 沟槽。
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3.竹纤维的特性 （1）纤维长度
竹原纤维单纤维较短，利用工艺纤维进行产品生 产。
竹浆纤维的长度可人为控制。 （2）吸湿透气性
• 彩色棉 • 转基因棉 • 罗布麻 • 大麻 • 竹纤维
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一、彩色棉
1.彩色棉概况 彩色棉是天然生长的非白色的棉花。 1982年美国南部地区研究中心改良了彩色棉
花的性能，已拥有棕、绿、紫、灰、橙等色泽品 种。1994年我国开始彩色棉花的引进与种植研究， 彩色棉花的产量已居世界第二位。彩色棉附加价 值高（是白棉的3-5倍），加工成本低，代表纤 维发展的方向。
菠萝叶纤维的化学组成与其它麻类纤维类似，含有较多的胶杂质， 菠萝叶纤维的柔软度、可纺性能优于黄麻而次于苎麻、亚麻。
木棉的主要组成为纤维素，结晶度为33％，
聚合度为10000。（棉：结晶度为65％-72％，聚
合度为6000-15000）
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罗布麻纤维的形态结构
• 罗布麻纤维的横截面是 带沟槽的椭圆形，中间 有一个椭圆形的气孔。 罗布麻纤维的这种结构， 使纤维具有吸汗、透气 的功能，所以由罗布麻 纤维做成的内衣具有清 爽的感觉，又具有远红 外功能，同时具备保暖 的功能。
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罗布麻纤维的保健功能
• 罗布麻纤维经江苏微生 物所分析检测，对大肠 杆菌、白色念珠菌、金 葡萄的抑制率达95%以 上。罗布麻纤维制成的 内衣具有明显的抑菌功 能。
•竹原纤维：截面椭圆形或腰原形，有中腔， 截面边缘有裂纹，和许多微孔；纵向有横节。
竹原纤维横截面
纵截面
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•竹浆纤维：截面锯齿形有许多微孔；纵向有 沟槽。
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3.竹纤维的特性 （1）纤维长度
竹原纤维单纤维较短，利用工艺纤维进行产品生 产。
竹浆纤维的长度可人为控制。 （2）吸湿透气性
• 彩色棉 • 转基因棉 • 罗布麻 • 大麻 • 竹纤维
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一、彩色棉
1.彩色棉概况 彩色棉是天然生长的非白色的棉花。 1982年美国南部地区研究中心改良了彩色棉
花的性能，已拥有棕、绿、紫、灰、橙等色泽品 种。1994年我国开始彩色棉花的引进与种植研究， 彩色棉花的产量已居世界第二位。彩色棉附加价 值高（是白棉的3-5倍），加工成本低，代表纤 维发展的方向。
菠萝叶纤维的化学组成与其它麻类纤维类似，含有较多的胶杂质， 菠萝叶纤维的柔软度、可纺性能优于黄麻而次于苎麻、亚麻。
木棉的主要组成为纤维素，结晶度为33％，
聚合度为10000。（棉：结晶度为65％-72％，聚
合度为6000-15000）
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蜘蛛丝纤维
生产途径
第一是利用动物如奶牛或奶羊来生产这种 蜘蛛丝蛋白；第二是利用微生物来生产；第三 是利用植物来生产。
蜘蛛丝
从蜘蛛的旋转腺中产生，它们具有很好的防渗水 性，部分透明，部分卷曲
同等粗细下蜘蛛丝的强度是钢铁的5倍，如 果用于制造盔甲，强度是凯夫拉防弹衣3倍 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。此外，蜘 蛛丝还可用作绷带，具有很好的抗菌性。
①基因合成发酵法; ②转基因法 1将这种蛋白的产丝基因转移到细菌中，用细菌大 量繁殖生产这种蜘蛛丝蛋白。 2将蜘蛛基因植入哺乳动物乳腺细胞内，使蜘蛛丝 蛋白再进行重组
用蜘蛛丝制作的防弹背心比用对位芳纶制作的性能还好。也 可用于制造坦克和飞机的装甲以及军事建筑物的防弹衣等。
制法
+
采用基因工程方法生产人造蜘蛛丝，但尚不成熟， 目前正在探索之中。此方法的要点是先用生物化学方 法对性能优良的蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行分析研 究，搞清其蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列，同时 进行基因序列的分离、纯化、结构特征的表达和克隆 等工作，在此基础上建立不同蜘蛛丝蛋白片段的基因 序列模型，用这种模型可生产出称为蜘蛛丝蛋白的合 成基因，然后将这种合成基因移植给动物、植物或微 生物，被移植了合成基因的动物、植物或微生物就能 大量复制这种蜘蛛丝蛋白，将这种蜘蛛丝蛋白分离出 来，经过提纯、溶解和纺丝，便可生产出性能优良的 人造蜘蛛丝。目前尚未实现工业生产。
第二种途径
+
利用卫生微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋 白的基因移植给微生物，使该种微生物在繁殖过程中大量生产类似 于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。例如美国杜邦公司已经发现一种名叫 Escherichia coli的细菌和一种名叫Pichia pastoris的酵母菌通过基因 移植技术能合成出高分子量的类似于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白质。并 发现用E.coli细菌可有效地生产出高分子量的蜘蛛丝蛋白，其分子 长度可达1000个氨基酸，但高分子量蜘蛛丝蛋白的产量和均匀性 则受到限制，可能由于在末端合成中某些端基出现了错误。而用 P.pastoris酵母菌生产的高分子量蜘蛛丝蛋白则没有不均匀的问题， 这种酵母菌可分泌出与蜘蛛拉索丝相似的蜘蛛丝蛋白。俄罗斯科学 家则将蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给一种学名叫 Saccharomyces.cerevisiae的酵母菌，繁殖后酵母菌体蛋白质的不溶 组份中80%以上为与蜘蛛丝蛋白相似的蛋白质，且产量可观，还进 行了蛋白质的分离和纯化等，以便以后进行纺丝。下一步工作就是 研究如何利用工业发酵的方法大量生产这种细菌或酵母菌，然后把 这种类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质分离出来做为纺丝的原料。
仿生材料ppt课件
1997 年德国植物学家Barthlott 发现荷叶表面的自清洁效 应和超疏水现象。 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于 150°且 滚动角小于10°的表面, 这种表面在工农业生产及日常 生活中有着广泛的应用, 例如, 集水功能、微流体装置、 抗结冰等. 研究发现, 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超 疏水性起着至关重要的作用。 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构. 目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um， 单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组 成，乳突虎脚掌
水黾腿
蝴蝶翅膀
蚊子复眼
沙漠甲壳虫背部
2.2超疏油仿生界面材料
荷叶上表面的微纳复合结构与表面植 物蜡的协同作用赋予了荷叶“出淤泥而不 染”的超疏水自清洁特性，这一点已经广 为人知。但是荷叶下表面的性质却被人忽 视。 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润 性进行了深入的研究。如左图（a）所示， 水滴在荷叶的上表面呈圆形;在水中，油 滴(染色的正己烷)也以球形停留在在荷叶 的下表面，表明荷叶的上下表面分别具有 超疏水和超疏油的特性。通过环境扫描电 镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)对荷叶下 表面进行形貌表征，发现下表面由无数个 扁形乳突组成，每个乳突的长度为30～ 50μ m，宽为10～30μ m，高为4μ m，且上 面覆盖着长度为200～500nm的纳米突起。 另外，荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类 水凝胶化合物，正是荷叶下表面的这种特 殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定 水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映 了荷叶下表面是抗生物粘附的性质。
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刘全勇,江雷.仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料[J]. 高等学校化学学报. 2010.6 (31) :1065~1071
5
1.2 蜘蛛丝的特点与应用
高强度 强延展性
高韧性
服装
高性能 面料
医疗卫生
应用
建筑
军事
航空航天
领域
比重小 可降解性
耐低温
6
二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料
蜘蛛属肉食性动物，不喜群居；再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时，蜘蛛之 间会相互撕咬，则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝；并且由于蜘蛛 本身腺体较多，不同腺体产生的丝性能不同，无法得到单一性质的蜘蛛丝。
Prince J.T. et al, Biochemistry, 1995, 34(34): 10879-10885;
Heat
Protein
Spider silk
Starch
9
哺乳动物作为载体进行基因表达 山羊通过泌乳产 生蜘蛛丝蛋白 猪通过泌乳产生 蜘蛛丝蛋白
家蚕作为载体进行基因表达
Thomas Scheibel , Microbial Cell Factories. 2004, 3(14)
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Lewis R. V. et al.,Protein Exp Purif,1996(7):400-406.
微生物作为载体进行基因表达
收集菌体通过超声波破碎法裂解，清 洗后经行电泳实验测定蛋白。
植物作为载体进行基因表达
Potato Grater
Fractioning in wet-process
Filtration
天然蜘蛛丝仿生材料
1
SW Cranford et al. Nature 482, 72-78 (2012)
目录
一、天然蜘蛛丝介绍 1.1、天然蜘蛛丝的组成与结构 1.2、蜘蛛丝的特点与应用 二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料 2.1、蛋白基因仿生生物表达法 2.2、链段及二次结构仿生化学合成法 2.3、微观结构仿生物理复合法 2.4、金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性 三、天然蜘蛛丝仿生学与仿生材料的展望
2
一、天然蜘蛛丝的介绍
1.1 天然蜘蛛丝的组成与结构
自然条件下，蜘蛛网主要由 捕捉丝、径向丝以及圆周丝 三种类型的丝构成，捕捉丝 蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合 成，而径向丝和圆周丝蛋白 则在蜘蛛的壶腹腺中合成， 蜘蛛的腺体液离开腺体后经 过脱水固化为蛋白纤维。
Randolph V. Lewis, Chem. Rev. 2006, 106, 3762-3774
静电纺丝示意图
静电纺丝设备
纺丝直径尺寸 方法优势
方法劣势
传统湿法纺丝
微米量级 方法简单，易行， 设备价格低廉 纺丝直径单一，较大
静电纺丝 纳米量级 操作简单，纺丝径均匀
影响因素较多，各种因素影响效果 不太明确
Jonathan A. Kluge, et al ,Trends in biotechnology, 26(2010), pp. 244-251
3
1.1 天然蜘蛛丝组成与结构
通过研究人员的结果分析，蜘蛛丝的蛋白结构中具有结晶及非结晶结构，其中 紧密的结晶β折叠(由氢键相连)被松散的非结晶次级结构所连结，前者增加了蜘 蛛丝的物理强度及硬度，后者增加了蜘蛛丝的延展性。
Sinan Keten, Zhiping Xu, et al, Nature Materials,9,359–367 (2010)
丝
仿
微观结构仿生物理复合法
生
思
金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性
路
……………………
Heim M., Keerl D. Scheibel T., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(20), 3584-3596
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2.1 蛋白基因仿生生物表达法
在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上， 通过构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因，然后采用生 物工程信息技术手段，将这些蛋白基因寄托于某种生物 载体（微生物、植物、 哺乳动物、家蚕等）进行表达并 生产，从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋 白质原料，然后将蛋白质原料经过特殊的纺丝程序，放 出人工蜘蛛丝。
Sung-won Ha, Alan E. Tonelli, and Samuel M. Hudson, Biomacromolecules, 6(2005), pp. 1722-1731
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Lazaris A, et al. Science, 95(2002), pp. 472-476
2.2 链段及二次结构仿生化学合成法
10
Yungen Miao, Yuansong Zhang, Koiehi Nakagaki .,Applied Microbiology and Biotechnology 2006,71(02)
蜘蛛丝蛋白纺丝过程
传统湿法纺丝示意图A, 机械推注泵；B, 有机溶液； C, 凝固浴；D, 清洗浴；E, 拉伸辊；F, 收集辊
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1.2 蜘蛛丝的特点与应用
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，属于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。表1列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性 能，通过比较可以发现，天然蜘蛛丝优良的综合性能，特别是其 高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性 (断裂能180MJ/m3为各材料中最高)是其它天然纤维与合成纤维所 无法比拟的。
天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元（主要为丙氨酸和甘氨酸 单元）组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β-折叠构象和螺旋构象，通过 链段及二次结构仿生化学合成法，从分子结构出发，可以设计具有天然蜘蛛丝 蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物，这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展 开拓了一个崭新方向。
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另外，由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需，则 应用范围收到极大限制，因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相 似结构和功能的新材料。其中，利用仿生学原理，通过研究蜘蛛丝的结构和功能， 来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。
蛋白基因仿生生物表达法
蜘
蛛
链段及二次结构仿生化学合成
Guido w. M. Vandermeulen, et al,, Biomacromolecules, 2006,7, 1005-1010;