蛛网强力纤维1

国外的研究重点—— 蜘蛛丝蛋白的制备
转基因技术
– 转基因动物: 山羊 (Nexia CANADA) – 转基因植物: 烟草, 土豆 – 细菌, 酵母
成功获得重组蜘蛛丝蛋白
如果能大量生产人造丝……
• 1970年代后半，基因改造技术问世，局面因而有了戏剧 性的发展，取蜘蛛丝的基因植入动植物体内，理论上就 能大量产丝。 • 1980年计划启动，却因大自然的顽固而踢到铁板。事实 证明，与胰岛素基因这项基因改造技术的的第一项重大 成就相比，蜘蛛丝的基因比较难以驾驭。 • 2002年6月，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 Biotechnologies）宣称，他们能用基因改造山羊的乳汁来 大量生产蜘蛛丝。
实验过程如下
羊乳蜘蛛丝
将蛛丝强度最强的人面蜘蛛基因 • 第一代 BioSteel Goa 移植到山羊的乳腺细胞，第二代 图片来源http://www.tmmfa.org.tw 山羊产下的羊奶，有三分之一可 以分离出高含量的蜘蛛丝蛋白， 并成功模仿了蜘蛛，于2002年1 月生产出世界上首例“人工蜘蛛 丝”。他们计划二年后，要用蜘 蛛丝蛋白开发人工韧带，让蛛丝 走进人类医学世界。
蛋白质的表面有许多地方具有吸引力与排斥 力，能以各种方式缠绕纠结。蛋白质的结构 极为复杂，不过总的说来，你能随心所欲地 将它弄成想要的形状。许多蛋白质为水溶性 球状分子团，例如血红蛋白；有些则为非水 溶性的纤维或角质，例如毛髮、指甲乃至蜘 蛛丝。
黑寡妇
蛋白的主要成份是白蛋白，一敲破蛋壳，便知道蛋 白显然是某种非常浓稠的溶液。生的蛋白虽呈透明 状，流动性却很差，表示其内部应有某种丝状结构 。但丝状蛋白的亲水性极强，你把蛋加热时，丝状 蛋白所含的水分会排出去，因而开始蜷曲，邻近链 状结构上的分子便互相接触，形成交互联结，这样 一来丝状蛋白便迅速纠结成球状而不再呈胶状，取 而代之的是弹性十足的固体。
奇妙的蜘蛛丝
蜘蛛丝与其他纤维的力学性能
蜘蛛丝力学性能
蜘蛛牵引丝和其它纤维的力学性能比较
材料 蜘蛛 牵引丝 家蚕丝 尼龙 棉 钢 伸长率（%） 初始模量 （N/m2) (1~30)×109 5×109 3×109 (6~11)×109 2×1011 强度 （N/m2） 1×109 6×108 5×108 (3~7)×108 1×109 断裂功（J/Kg）
虽然我们会认为，食用蛋白和 毛髮、羊毛这类结构蛋白根 本是完全不同的物质，但其 实它们的化学性质很相近。 事实上，它们彼此之间可以 相互转换。 牛乳是一种食材，但其中所含 的酪蛋白这种蛋白质，可以 加工制成有用的塑胶。此外， 在合成塑胶问世前，乳胶也 常用来制作纽扣之类的小物 品。
食鸟蛛
但如果要制造出耐用的乳胶， 就必须控制水分含量 ，使脱水的过程不会产生空 洞，且必须去除脂肪， 乳胶才能硬化。蛋白质原料 需要非常细腻的加工过 程，才能产生洽当的性质， 而工业用原料也能由原 本截然不同的生物性分子制 造而成。那么，既然能 用牛奶作出纽扣，何不用基 因改造山羊所含的蜘蛛 丝蛋白来制造防弹背心呢？
蜘蛛丝能纺成纱？
利用蜘蛛纺丝并不是什么大学问，只要些许 工具和一点耐性，你也可以自己动手做。 首先，等七月下旬出现园圃蜘蛛结的网， 于是捉住一只蜘蛛。你当然得限制蜘蛛的 行动，可就近取一块保丽龙充当工作台； 你必须小心翼翼地将蜘蛛翻身，使它背部 朝下，在蜘蛛身体两边，拿两条很细的橡 皮筋从靠近身体处把脚绑住，一边绑四只 脚。固定住之后，你就可以拿根玻璃棒， 轻触蜘蛛腹部下方的吐丝器引出蜘蛛丝， 并轻轻拉出。
蜘蛛丝仿生纺丝的关键技术
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蜘蛛丝蛋白 的制备
纺丝过程 的仿生
利用转基因技术，将蜘蛛 的相关基因转移到细菌、 植物体、哺乳动物的乳腺 上皮或肾细胞中，进行表 达，生成蜘蛛丝蛋白质， 并进行提纯
蜘蛛所用的“纺丝液”是水作溶剂。 “纺丝”前，“纺丝液”在丝腺内 呈液晶态，并以α晶型为主。在其 成丝流动过程中， α结构向β反向 平行折叠结构转变并且丝条从水中 分相出来，丝条一旦形成了β反平 行结构就不再溶于水。
蜘蛛丝的分子特性
此图为蜘蛛丝蛋白质内的氨基酸构造，分别由图中 的硬质Beta折叠与松散捲曲的Alpha螺旋结构组成， 由于Beta折叠十分的坚硬，加上Alpha螺旋结构富有 弹性及松散，使得蜘蛛丝本质坚硬但又富有弹性， 加上裂缝在此结构不易延续所以此材料不易破裂
氨基酸 甘氨酸 丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 天冬氨酸/天冬酰氨 精氨酸 组氨酸 谷氨酸/谷氨酸盐 赖氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 苏氨酸 蛋氨酸 半光氨酸 色氨酸
蜘蛛丝的分子特性
蜘蛛丝还在蜘蛛的丝腺里时呈凝胶状，而且饱含水 分子，不过也和蛋白一样具有丝状结构；事实上它 是一种「液晶」。看似是黏稠的液体，事实上它们 分子全都朝向同一方向排列。以蜘蛛丝而言，丝腺 中的液体称为液态丝，含有一团团具高度方向性的 分子，这些分子的行为便有如液晶。液体通过吐丝 器时会脱去水分，酸度也跟着改变，使这些分子的 方向性愈来愈高，最后全部顺着流动的方向排列， 吐出来的就是分子排列整齐的丝。
这是一只热带跳跃型 蜘蛛，它会用明亮的 颜色来吸引异性.
蜘蛛丝的分子特性
以蜘蛛丝而言，丝线中的液体称为液态丝，含有一 团团具高度方向性的分子，这些分子的行为便有如 液晶。液体通过吐丝器时会脱去水分，酸度也跟着 改变，使这些分子的方向性愈来愈高，最后全部顺 着流动的方向排列，吐出来的就是分子排列整齐的 丝。
蚕丝 42.9 30.0 12.2 4.8 1.9 0.5 0.2 1.4 0.4 2.5 0.6 0.6 0.7 0.5 0.9 0.1 痕量 —
蜘蛛丝 37.1 21.1 4.5 — 2.5 7.6 0.5 9.2 0.5 1.8 3.8 0.9 0.7 4.3 1.7 0.4 0.3 2.9
蜘 蛛 丝 与 蚕 丝 的 氨 基 酸 组 成
蛛网强力纤维
“生物钢”
1. 蜘蛛与蜘蛛丝 2. 蜘蛛丝的研究过 程与研究进展 3. 结论与展望
•一束细柔轻软、透明、富有弹性而又坚韧的蛛丝， 牵引着强壮无比的蜘蛛侠在林立的楼宇之间飘来荡去， 救灾解难、惩治恶魔。 •实际上，拽一个人根本就用不着影片中那么粗的蛛 丝，因为如果将蛛丝直径增加到一公分（一束铅笔粗 细），即可拦截天上正在飞行、载运三百人的七四七 飞机。
园圃蜘蛛(Araneus diadematus)
天然的尼龙
现存最古老的蜘蛛丝于2003年公开发表，保存在 一块于黎巴嫩的琥珀之中，出现的年份可追溯至1 亿2千万年前的白垩纪初期。这个标本之所以吸引 人，是因为捕捉丝上依然挂着一串小黏珠，清晰 可见，宛如今天才结出来的蜘蛛网。
蜘蛛七种分泌腺体
连接于前纺丝器的有大囊状腺、梨状腺; 连接于后纺 丝器的有集合状腺、鞭毛状腺; 连接于中纺丝器的有小囊状腺、管状腺和葡萄状腺
9.8~32.1 15~35 18~26 5.6~7.1 8.0
1×105 7×104 8×104 (5~15)×103 5×103
凯夫拉
橡胶
4.0
1×1011
4×109
1×106
3×104
8×104
蜘蛛牵引丝具有高强度、高韧性和高弹性，尤其是承 受外力所做功的能力远大于钢丝及高性能合成纤维。
蜘蛛是从头吐丝吗??
圆蛛属7种丝腺体产生的丝及其功能
丝腺名
大囊状腺 小囊状腺 管状腺
丝名及其功能
牵引丝、放射状丝、构成网骨架的框丝 牵引丝、螺旋框丝（非粘性） 包卵的卵茧丝
鞭毛状腺
梨状腺
网的横丝
附着盘
葡萄状腺
集合状腺
捕获丝等
横丝表面的粘性物质
蛋白质结构
蜘蛛丝与羊毛及蚕丝一样，都是一种蛋白质。材料 科学家沙力卡亚：「蛋白质才是生物体内的苦力。 人体内有数十种不同的蛋白质，全部合作无间地同 时运作。你看东西、吃东西、想事情，全是拜这些 蛋白质的交互作用所赐。 」
如果能大量生产人造丝……
克维拉纤维
第一种正式用于防弹背心的人造丝是克维拉纤维， 这是一种更坚韧的尼龙变体，发明于1963年。 但即使尼龙、克维拉和其他纤维已成为不可或缺的 工业原料，蜘蛛丝过人的特性依旧魅力难挡。
奈特发明的纺丝器专利应用
蜘蛛丝能纺成纱？
若想捲成一捆丝，可将保丽龙固定在木片上，在木 片另一端装上简易的捲轴，很像是附带把手的纺锤 上所装的棉线线轴。若你碰巧懂得手工编织方面的 知识，就能收集一小捆丝，试着编成较粗的线，使 之比较接近纺织用的规格。不过呢，无论你拿蜘蛛 丝做什么，最后一歩都要把蜘蛛放走。他会马上回 去工作，修补网子。
奈特发明的纺丝器专利应用
蜘蛛丝能纺成纱？
园圃蜘蛛的吐丝器 一只园圃蜘蛛有三对吐丝器，各具有多根吐丝管， 总数超过六百根，虽然不靠显微镜就无法看到整 个构造，但还是很值得一提。光看这个器官的图 片，如果不加说明，你或以为这是某种高科技喷 胶系统。
蜘蛛丝能纺成纱？
蜘蛛常使网子保持在良好的维修状态，每隔两、三 天就要毁弃旧网，另结新网。构成新网的蛋白质中 ，约百分之八十到九十回收自旧网，这表示蜘蛛猎 食的主要目的是为了取得结网所需的能量；大部分 的蜘蛛网原料都不需仰赖食物来补充，这种生命作 用展现了惊人的效率。
一、强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大 二、强度是钢的5倍，韧性是Kevlar的3倍 三、它是一种以蛋白质为基质的高强材料，集 高强、高韧、轻质、可生物降解等优点于一身
• 蜘蛛牵引丝的用途
在防弹衣、微型手术缝合线、航空材料、复合
材料等领域有着巨大潜在的用途。
防弹背心
防刺服 防割手套 防割不燃手套 及臂套
一随风飘逸却坚韧的蜘蛛丝
大到足以当成鱼网的蜘蛛丝
随风飘逸却坚韧的蜘蛛丝
园圃蜘蛛不仅结网结得 十分好看，而且在你可 能偶遇的蜘蛛当中，这 种色彩斑斓的蜘蛛也绝 对是最漂亮的。
园圃蜘蛛
蜘蛛丝能纺成纱？
根据史料，最初尝试利用蜘蛛丝的是法国人。 • 1709年：圣西兰用蛛丝制成手套和长袜献给路易 十四 • 1710年：法国科学家雷慕尔研究这些说法估计需 要两万七千四百六十八只雌蜘蛛才能产出一磅 (四百五十四克)的丝 • 十八世纪后期的澳洲，有项传统是在蜘蛛网上作 画
中文名： 蜘蛛 中文别名： 网虫、扁珠、园珠 拉丁文学名： Araneida；Araneae 英文名： spider 分 类： 界： 动物界 Animalia 门： 节肢动物门 Arthropoda 纲： 蛛形纲 Arachnida 目： 蜘蛛目 Araneae ,Clerck 亚目： 中突蛛亚目 Mesothelae 原蛛亚目 Mygalomorphae 新蛛亚目 Araneomorphae
蜘蛛丝的分子特性
• 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
电 子 显 微 镜 下 蜘 蛛 丝 的 结 构
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：
1.不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性； 2.规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。
蜘蛛丝能纺成纱？
曾经有人尝试以工业规模生产蜘蛛丝。经过适当的 安排，一只金色人面蜘蛛能够一口气吐出三百公尺 的丝。问题是，蜘蛛无法密集家养(跟蚕不一样)， 它们生性好斗，独来独往，若养在同一处就会自相 残杀。
2.蜘蛛丝的研究过程与研究进展
仿蜘蛛丝研究背景
• 蜘蛛牵引丝力学性能优良，被誉为“生物 钢”
1.蜘蛛与蜘蛛丝
天然的尼龙
蜘蛛丝歷经数百万年的演化而趋于完美。一只蜘蛛 能单独造出七种不同的丝，各自有其用途，包括用 来悬挂蜘蛛网的牵引丝最为坚韧、捕捉丝具有最大 的延展性等。蜘蛛网必须能够捕捉快速飞行又沉甸 甸的虫子，不但要使虫子无法动弹，蛛丝又不至于 应声而断，也不会产生反作用力而把猎物弹开。这 令人联想到航空母舰的拦阻索，可在喷射机降落时 用来帮助煞车。
• 一般的蜘蛛Fra Baidu bibliotek确是从身体的前端吐丝是没 有错的 • 人面蜘蛛却是从尾部吐丝来结网
从尾部吐丝的 人面蜘蛛
蜘蛛是如何结网的??
一般的蜘蛛都是先将整的网的主干织好，接着再 将细部的丝一条条的补上
• 我们常常把蜘蛛网看 成很脆弱的丝线结构， 且时常见到的是露水 或冰霜所凸显出蜘蛛 网的形状 • 在巴布亚纽几内亚， 清晨结满露水的蜘蛛丝 有种蜘蛛会结出很大 的网，大到足以让人 们将其缠绕在竹竿间 当成渔网