大自然的魔法轉換——布滿生活的人工蜘蛛絲丨科普矽立方

2020-09-13 中科院之聲

編者按：中科院之聲與中國科學院上海矽酸鹽研究所聯合開設「科普矽立方」專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

大自然孕育了各種生物，也賦予了它們許多神奇功能。人類科學文明的進步也離不開大自然的啟發。通過對生物結構和功能原理的研究，我們生活中科技設備和機械工具等得到了不斷的革新和進步，這也就是仿生學科技。例如：某運動品牌研發的可有效減小水的阻力的鯊魚皮泳衣，這正是借鑑了鯊魚皮表面豐富的褶皺（也稱為膚齒），可大大減小水流的阻力幫助鯊魚更有效的快速移動；某跨國公司推出可實現廢紙發電的新型生物電池，通過木纖維質酵素在將紙張中的纖維素分解為葡萄糖的同時所釋放的能量轉化為電能，這一發明的最初原理也是仿造人體新城代謝時分解葡萄糖並產生能量。這樣仿生學科技的例子不勝枚舉，但是你否想過，人們還從生活中大多數人十分厭惡的蜘蛛絲得到了科技發明啟發。

圖1 鯊魚皮泳衣（左）和生物電池（右）（圖片來自網絡）

圖2 蜘蛛絲（左）和人造蜘蛛絲（右）（圖片來自網絡）

蜘蛛肚子裡有許多絲漿，它的尾端有很小的孔眼。在結網的時候，絲漿從孔眼裡噴出，當遇到空氣就會形成有粘性的絲，用它所結成的網無論什麼飛蟲，一旦撞上都別想跑掉。那麼，外觀又細又柔軟的蜘蛛絲為什麼會具有這麼好的彈性與強度呢？其原因主要在於：蜘蛛絲的主要化學成分是甘氨酸、丙氨酸及小部分的絲氨酸，以及其他胺基酸單體蛋白質分子鏈。一方面，蜘蛛絲具有不規則的蛋白質分子鏈，這使得蜘蛛絲具有彈性。另一方面，蜘蛛絲中還具有規則的蛋白質分子鏈，這又使得蜘蛛絲具有強度（強度大於鋼）。

天然的蜘蛛絲是一種十分堅韌且具有彈性的纖維，因而成為了一種優異的紡織材料（圖3）。但由於蜘蛛獨特的生活習性和產絲量低的原因，實現天然蜘蛛絲量產十分困難。但隨著基因技術的發展，人們利用這樣獨特的分子鏈結構，人類研製出了人造蜘蛛絲。那麼，它們兩者之間有什麼區別呢？

圖3 天然蜘蛛絲製作的鬥篷（圖片來自網絡）

圖4 蜘蛛絲和人造蜘蛛絲並不完全相同

人造蜘蛛絲是一種高韌性的人造材料，目前的人造蜘蛛絲都是通過將蜘蛛的基因進行改造之後，放在不同的生命體中表達蛛絲蛋白（例如大腸桿菌、蠶、羊等），再進一步提純。成分雖然略有區別，且強度與天然的蛛絲比起來也有不小的差距，但是這些並不重要。人工蜘蛛絲的優點在於可以以液態的形式儲存蛛絲蛋白。

液態的蛛絲蛋白，給人造蜘蛛絲未來的形態和應用創造了多種可能。例如在功能研究中比如生物支架，材料有柔性且可降解。例如，一種通過重組蛛絲蛋白製備出的小口徑人造血管支架（圖5），具有很好的力學性能及生物相容性且厚度均勻。因此，人造蜘蛛絲並不是僅僅局限於又彈又粘的蛛絲，它具備廣泛的應用領域和光明的應用前景。

圖5 人造蜘蛛絲製造的血管支架（圖片來自網絡）

那麼，人造蜘蛛絲主要還有哪些應用呢？其實，在我們日常生活中就已經布滿了人造蜘蛛絲。

「人造蜘蛛絲」材料的衣服（圖6）非常的柔軟，類似絲綢一樣。但是絕不像絲綢那麼容易變黃，更不會像絲綢那麼容易被損壞。合成的蜘蛛絲面料甚至比牛仔面料都要堅韌很多倍，而且更加的透氣、輕便。鑑於人造蜘蛛絲的性能特點，還有些公司開始用它發展概念產品，如某運動品牌在2017年年底向全球用戶推出第一款使用蛛絲製成的可降解跑鞋。由人造蜘蛛絲製造的跑鞋不僅比其他面料跑鞋更加輕盈且牢固，而且可進行100%自然生物降解更是為其貼上了綠色環保的標籤。

圖6 人造蜘蛛絲製成的衣服（圖片來自網絡）

不僅僅在日常生活中有著多項用途，人造蜘蛛絲在醫療方面也存在巨大的應用前景。蜘蛛絲可以代替醫用縫合線，又細又牢固，還能被人體吸收，可以省掉了拆線的痛苦。此外，研究發現蜘蛛絲能使顯微鏡解析度提升2至3倍。美國《納米通訊》雜誌發表的一項研究顯示，自然界的蜘蛛絲是一種天然的超級透鏡，可以有效幫助常規光學顯微鏡突破「視力」極限。人工蛛絲和天然蛛絲都是蛋白質聚集而成的聚合纖維，它們的蛋白分子結構相似，或許可以代替蜘蛛絲應用在顯微鏡中。

圖7 醫用縫合線（圖片來自網絡）

大家可能會產生疑問，人造蜘蛛絲是怎麼被製備出來的呢？這裡介紹其中一種製備方法。

天然蜘蛛絲主要來源於結網，產量非常低，而且蜘蛛具有同類相食的個性，無法像家蠶一樣高密度養殖。所以要從天然蜘蛛中取得蛛絲產量很有限。隨著現代生物工程發展，用基因工程手段人工合成蜘蛛絲蛋白是一種新突破，但是成本較高。

靜電紡絲技術是通過高壓靜電力作為牽引力克服溶液或熔體表面張力和內部的粘滯力來製備納米纖維的技術。氣泡靜電紡絲技術是受蜘蛛紡絲原理的靈感而啟發創造出來的，應用氣泡動力學原理，在氣泡紡絲過程中加載高壓電場，溶液中的電荷受到電場誘導，瞬間分布在氣泡表面，當電場強度達到閾值時，氣泡受到的電場力足以克服氣泡表面張力，氣泡被拉伸破裂，帶電射流瞬間從氣泡頂端噴射而出。氣流氣泡紡絲根據氣泡表面張力僅僅依賴於其半徑和內外壓差。

因此，藉助高溫高速氣流克服氣泡的表面張力，當外加熱氣流作用於氣泡時，氣泡會破裂形成多級子氣泡和多股射流，子氣泡與射流飛出時，由於受到氣流牽伸力、表面張力和內外壓差作用而變得不穩定，子氣泡破裂，再次分裂成無數根射流，又受到氣流進一步拉伸細化，期間溶劑快速揮發，最終固化後形成納米纖維或者超細纖維沉積在接收板上。

圖8 氣泡靜電紡絲技術

藉助大自然的魔法轉換，我們的科技創造靈感得到了啟發。隨著基因工程的發展以及製備手段的不斷深入，我們相信人造蜘蛛絲會「布滿」越來越多的領域。

參考文獻：

1. 蜘蛛絲攔火車確有可能，英國有望製造出最堅韌材料. 科技世界網. 2013/3/7.

2. 許箐, 潘志娟. 蜘蛛絲蛋白的人工合成及人造蜘蛛絲[J]. 蘇州大學學報:工科版, 2005(01):47-51.

3. 沈慶春. 一種重組蛛絲蛋白小口徑人造血管支架的製備方法.

4. 趙曉鳳. 蜘蛛絲提供了便宜且易用的超級透鏡[J]. 現代材料動態, 2017:6-7.

5. 楊恩龍，王善元，李妮，趙從濤. 靜電紡絲技術及其研究進展. 產業用紡織品，2007.

6. 劉雍, 壽萬, 董亮,等. 氣泡靜電紡絲技術的原理及其纖維形貌研究[C]. 中國化學會學術年會. 2010.

來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所

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