「蜘蛛絲」:強度大過鋼鐵,彈性勝過膠皮,還能進行生物修復

2020-12-01 嶽悅於世

蜘蛛絲是自然界不可思議的材料之一,蜘蛛絲往往給人的印象是柔軟、輕盈,但不要被它的外表所騙,雖然它比人的頭髮還細,但其強度強度卻是普通鋼鐵的5倍,而且據說馬達加斯加有一種叫BARK的蜘蛛絲的強度更是達到了普通鋼鐵的十倍。不光有強度還有彈性:蜘蛛絲的彈性勝於橡皮圈,蜘蛛絲的彈性使得它可以吸收三倍於Kevlar材料的能量(Kevlar材料一般用於防撞護具,籃球鞋氣墊)。

蜘蛛網的生物修復能力

蜘蛛網和蜘蛛巢穴就是由這種不可思議的天然蛋白質紡織而成,蜘蛛利用細線在空氣中滑動並逃脫了大型食肉動物。

同時,蜘蛛絲具有生物相容性,在再生醫學領域中開創了新的篇章,於是現在,科學正在尋求利用蜘蛛絲的特性來製作相關藥物並治癒我們的身體。

蜘蛛絲作為藥用已有數百年歷史了。比如古希臘人和羅馬人在受傷後會用蜂蜜和醋清洗傷口,然後用球形蜘蛛網塗抹傷口進行止血。

而現在,研究人員正在利用蠶體內大腸桿菌產生的絲狀物來生產可生物降解的蛛網,從而加速組織生長,可以抵抗緩慢癒合的傷口中的感染。合成絲的特性意味著它足夠堅固和靈活,可用於人造韌帶,手術縫合線和用於組織修復的細胞支架。

但是在藥物輸送和組織再生中將其用作生物活性材料是相對較新的概念,有點超綱。

蛛網的工程應用價值

人們正在探索將人造蜘蛛絲作為一種環保新型材料來用於工程,紡織品和飛機生產,這是可以實現的。不過雖然環保,但它不經濟,高昂的生產成本讓它還不能被廣泛應用。

這種蛛絲怎麼生產

前面理論上說的天花亂墜,這好那好。但還是要遇到最實際的問題:造的出來嗎?

生產出用於人類醫學所需的蛛絲數量是困難的。等等,為什麼之前說的是蠶產生蛛絲?因為蜘蛛是食肉動物不能像蠶一樣進行大規模養殖。因此使用轉基因的蠶來製造蜘蛛絲,研究人員將蜘蛛的基因剪接到蠶體內的大腸桿菌中,這樣產生的蠶絲具有蛛絲的彈性,但強度卻大打折扣。

當然我們也不會在一棵樹上吊死,還有人將轉基因對象換成了山羊,這種轉基因山羊的基因經過改變,可以在山羊奶中產生蜘蛛絲。這種「山羊絲」的未來應用包括用於醫療植入物的凝膠,膠水和塗層。

絲我們是能生產出來,但是要想批量生產我們要做到蜘蛛的紡絲。蜘蛛自然紡絲有多達七種不同的類型,這取決於它們使用的腺體和旋轉的方式。然後經過我們的觀察模仿,最後想出一種方法:將化學物質與其混合產生帶靜電的蛛絲,然後用電荷引出操控。

最後一個問題:這種絲用於醫療環境,化學物質對它沒有幹擾嗎?然後經過一番實驗,生物學家用生物活性絲蛋白造出三種「專用絲」:用於癌症治療的納米線,用於檢測生物標誌物的塗層的生物薄片和用於支架以促進細胞生長的薄片。

關於蜘蛛絲的延展創新

現在,研究人員致力於可持續製造的科學家利用海洋細菌和光合作用建立了所謂的微生物工廠。

這和蛛絲有什麼關係?他們對海洋中的紫色細菌進行了基因改造,從而僅使用海水,鹽,氮氣,酵母和光來製造絲。整個過程是碳中和的,能大量生產而沒有任何環境影響,做到了綠色生產。

為了生產合成的拉鏟絲,蜘蛛將其用作織網,以增強其強度。而拉鏟絲啟發了我們:可用於人體成像的生物透鏡。一種長腿蜘蛛的蛛絲加上樹脂處理,當樹脂固定在纖維上時,就製成了高精度的光學透鏡。而在將來,該技術可用於實現生物組織和人體內部的高解析度成像,將醫學影像專業提升到一個新高度。

未來可期。

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