仿蜘蛛丝的研究与开发

仿蜘蛛丝的研究与开发

江锡夏

（中国纺织科学研究院）

几百万年以来，蜘蛛学会了生产最细的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以扑获猎物，赖以生存，繁衍后代。在自然界中，蜘蛛丝网工作起来非常简单．又非常可靠，任何飞虫一旦闯入蛛丝网．就休想逃脱成为蜘蛛食物的命运，这是人们施空见惯了的一种自然现象。

科学的发展使人类有越来越多的机会和手段去探索自然界的奥秘。科学家们开始注意到蜘蛛丝非同一般的性能。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；再有就是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，因而对环境是友好的等等。我们都知道，把这些优良的性能集中在同一种纤维上是十分困难的，而蜘蛛却做到了，由于有了这些性能才能保证蜘蛛网在各种气候条件下都能正常工作，保证了蜘蛛的生存和传宗接代。人们开始考虑如果有一天．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，可以说对蜘蛛丝的研究，已成为当今世界纤维界的热门课题。

一、蜘蛛丝的结构和性能

蜘蛛丝属于一种蛋白纤维。通过对蜘蛛丝的解剖学研究，认为一般蜘蛛丝网包含三种类型的丝（有的蜘蛛能生产８种甚至更多类型的丝）：扑捉丝（扑获猎物）、辐条状或径向丝和园周网丝。扑捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而径向丝和园周丝蛋白则是在蜘蛛的壶腹腺中合成的。蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白纤维，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有优凫的性能。

利用扫描电镜研究了蜘蛛丝的超分子结构，发现蜘蛛丝是由一些被称为原纤的纤维束组成，而原纤又是几个厚度的１２０ｈｍ的微原纤的集合体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白（ｓｐｉｄｒｏｉｎ）构成的高分子化合物。

蜘蛛丝随处可见，但要由它采取试样进行性能测试则是很难的事情，而且蜘蛛的品种很多，不同品种不同类型的蜘蛛，其性能也有差异，一般说蜘蛛丝的直径约为几个微米（人发约为１００微米），但强度特别大，据德国一个研究所对一种名叫ＮｅｐｈｉｌａＣｌａｖｉｐｅｓ热带蜘蛛的研究，其蜘蛛丝的直径为０．７４—１．１６ｄｔｅｘ，强度为６．４—８．２ｃＮ／ｄｔｅｘ，在湿态下伸长有所增加，而强度基本保持不变。有的报导说蜘蛛丝的强度比钢丝大５倍．而美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，其强度比钢丝大ｌｏ倍，另有报导则说蜘蛛丝的强度可以比杜邦的对位芳纶和联信的超高分子量聚乙烯纤维还要大。科学家们还对ＮｅＤｈｉｌａＣｌａｖｉｐｅｓ蜘蛛网的圆周丝的初始模量、应力应变进行了测试，见表ｌ。

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表１不同聚酰胺纤维的初始模量

（相对温度６５％，温度２０气）

ｌ初始模量蜘蛛网圆周丝锦纶６对位芳纶

ＩｃＮ，ｄｔ既Ｓ２６１０２１７５４

广Ｎ，。ｍ２６７８９１１６３２５４３３由表可见，蜘蛛网圆周丝的初始模量明显高于锦纶６。比对位芳纶低，但圆周丝在蜘蛛丝中不是强度最好的。值得一提的是对位芳纶的断裂伸长只有２—５％，而蜘蛛丝是３６—５０％。因而具有吸收巨大能量的性能。也曾试图研究蜘蛛丝的粘弹性能，但很困难，后

来采用应力与松弛相结合的方法，

袁２解决了这个问题，结果见表２。

应力与松弛的联合试验结果

蜘蛛丝锦纶６对位芳纶蚕丝

杨氏模量Ｎ，—ｎ２５７００１５１９１２２９３１０８２５

粘性模量ＳＫＮ／ｍｍ２３４５ｌ３６３５６６０７２００

松弛时间ＳＳ９７２３９４６０６６５从表２数据可以看出，蚕丝的粘弹性最大，其次是蜘蛛丝，而锦纶６的粘弹性最小．

这些不同的特性来源于材料本身的组成和结构的差异。

蜘蛛丝的另一个重要特性是它的耐低温性能。据报导．蜘蛛丝在零下４０℃时仍有弹

性，只有在更低的温度下才变硬，在需要低温使用的场合，这种丝的优点特别显著。

由于蜘蛛丝是由蛋白质组成，因而是生物可降解的，不会对环境造成污染，符合可持

续发展的要求。

二、蜘蛛丝蛋白的剖析和合成

科学家们已经进行了大量的工作，用生物化学方法对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行了研究，分离了蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列。建立了ｅＤＮＡ和ｇＤＮＡ的数据库，同时

进行了基因序列的分离、纯化、结构特征的表达和克隆等研究工作．利用ＤＮＡ合成技术已成功地在ＤＮＡ水平上建立了不同蜘蛛丝蛋白（Ｓｐｉｄｒｏｉｎ）片段的基因序列模型，用这种

模型可制造出一种称为蜘蛛丝蛋白的合成基因，利用这种基因可生产出９６．１％的基因序列与天然蜘蛛丝蛋白相同的产品。下一步工作是如何大规模生产这种蜘蛛丝蛋白，现在有

三种途径。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。

第一种途径。加拿大一家生物技术公司宣布已经获得成功，办法是将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植及山羊，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，据报导

这种羊奶中含有经基因重组的蛋白质２—１５９，ｌ，用这种蛋白质生产的纤维取名生物钢

（Ｂｉｏｓｔｅｅｌ），其强度比芳纶大３．５倍。该公司正研究如何将羊奶中的蛋白质进行纺丝的问题。报导说他们已和加拿大国防部（Ｃ．ａ础ａｎＤｅｐａｒＵｎｅｎｔｏｆＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｅｅ）草签了用这种

纤维生产防弹材料的协议，还和美国军队及美国航天局（ＮＡＳＡ）讨论了有关合作的问题。

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

如已经发现一种名叫ＥｓｃｈｅｒｉｅｈｉａＣｏｉｌ的细菌和一种名叫ＰｉｃｈｉａＰａｓｔｏｒｉｓ的酵母菌通过基因移

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