變身蜘蛛俠!科學家開發出超強韌人造蜘蛛絲 用細菌、水凝膠纖維製成
2020-12-02 前瞻網變身蜘蛛俠！科學家開發出超強韌人造蜘蛛絲 用細菌、水凝膠纖維製成
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在科幻電影《蜘蛛俠》中，這個超級英雄靠著一根蛛絲在空中自由飛蕩，一邊在林立高樓間高低穿梭一邊制敵的場景讓人大喊過癮。這樣高能的「蛛絲」或將很快面世，並且應用在實際生活的各個領域。
據報導，細菌正在幫助製造出工程蜘蛛絲，其強度和可拉伸性與蜘蛛吐出的拉力絲相比。拿一磅工程蜘蛛絲和一磅鋼絲相比，會更重，但是同時更堅韌。
數十年來，工程師們一直在嘗試用轉基因細菌、酵母菌甚至羊奶來合成合成物，但始終未能達到目標。
但比較具有挑戰性的部分是，「蜘蛛絲」的遺傳信息是一長串重複的DNA。那些先前測試過的生物的細胞機制隨機地改變或砍掉了這種序列。
為了克服這個問題，研究人員將重複的DNA精確地分成了幾部分，然後將每個重複的片段插入到大腸桿菌中。這些較小的碎片不太可能在細菌內進一步改變，然後每個微生物都按照遺傳指示生產短絲。研究人員在每根鏈的末端添加了一個化學標籤，該標籤將各個纖維粘合在一起。
所得材料的行為類似於拉鏟絲。測得其抗張強度或抗撕裂強度為1.03吉帕斯卡，與天然生產的拉鏟絲相同。工程拉鏟絲的韌性為每立方米114兆焦耳，而蜘蛛絲的韌性約為100兆焦耳。工程化的真絲股線可以在斷裂前拉伸18％，與天然拉絲線相同。
實驗室用放大鏡展示了這種堅固的原料（頂部、底部橫截面），它是由大腸桿菌生產的蜘蛛絲股線，與蜘蛛絲一樣堅韌而有彈性。
聖路易斯華盛頓大學的合成生物學家Fuzhong Zhang說：「我們現在可以利用細菌生產出與自然一樣性能優異的東西。」他於4月2日在美國化學會在佛羅裡達州奧蘭多舉行的年會上介紹了這項研究。
這種新型人造蜘蛛絲是在美國國家航空航天局（NASA）的資助下開發的，其用途包括為太空人在火星上製造堅硬材料的方法。Zhang表示，這種物質可以用於設計用於醫學或紡織用途的更堅固的材料，例如耐衝擊的織物或外科縫合線。
該團隊正在致力於通過工程細菌的生產來擴大工藝流程，這些細菌能夠生產完整的絲線，而不只是片段。
蛛絲比在強度媲美鋼鐵的同時、韌性又優於凱夫拉（Kevlar），屬於自然界中最令人印象深刻的材料之一，
無獨有偶，我國南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室劉遵峰教授團隊，近日也傳來了在這一領域獲得的重要進展。該團隊使用水凝膠纖維成功製備出了新型超強韌「人造蜘蛛絲」，它強度高、慢回彈、可重複伸縮，未來或將用於高空緩降等多領域。日前，介紹該成果的論文在線發表於國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
據了解，他們通過摻雜二價離子並加捻，獲得一定的捻度，極大地增加了水凝膠纖維中聚丙烯酸的強度，從而使這種新材料獲得了與天然蜘蛛絲幾乎相當的力學性能。
目前，除了上述提到的細菌、水凝膠作為原材料，國內外的科研團隊已經利用蛋白纖維、超分子水凝膠纖維、碳納米管複合纖維等各種方式成功地複製或是部分複製蜘蛛絲的機械性能。無論哪種方式，一旦科學家們成功提升合成蛛絲在分子水平上的性能，無疑又是新材料研究上的一大突破。超強韌的工程蜘蛛絲製成救生網、球拍網、高空緩衝繩、醫療材料、機械線纜、防彈軍衣……應用空間和案例簡直豐富得超越想像。
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