超級(jí)纖維蜘蛛絲的研究與開發(fā)利用現(xiàn)狀

惠 晶 徐 紅

（新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院 新疆 烏魯木齊 830046）

蜘蛛絲是一種特殊的蛋白纖維，是天然的高分子纖維和生物材料。它具有很高的強(qiáng)度、彈性、柔韌性、伸長(zhǎng)度和抗斷裂性能，以及比重小、耐低溫、較耐紫外線、生物可降解等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的綜合性能是包括蠶絲在內(nèi)的天然纖維和合成纖維所無法比擬的。蜘蛛絲以其優(yōu)良的性能引起了世界各國(guó)科學(xué)家的興趣和關(guān)注。近年來美國(guó)、瑞士、加拿大、日本、德國(guó)、丹麥等國(guó)的一些實(shí)驗(yàn)室先后對(duì)蜘蛛絲進(jìn)行了深入的研究，在利用基因和蛋白質(zhì)測(cè)定技術(shù)解開了蜘蛛絲奧妙的同時(shí)，在蜘蛛絲人工生產(chǎn)方面也取得了突破性進(jìn)展。我國(guó)近幾年也有很多研究者致力于此，取得了一定的成果。在不久的將來，蜘蛛絲必將會(huì)在科技、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

1 蜘蛛絲纖維的結(jié)構(gòu)性能研究

1.1 蜘蛛絲的種類和用途

蜘蛛絲光滑閃亮，其橫截面為圓形，不同蜘蛛的絲具有不同的理化特性，即使是同一只蜘蛛的絲也會(huì)因?yàn)榉置诘南袤w部位不同而不同。表1所列的即是蜘蛛不同腺體分泌的蛛絲及其用途。

表1 蜘蛛絲的種類及用途

研究表明，蜘蛛絲產(chǎn)生于其體內(nèi)特殊的分泌腺，這些分泌腺因蜘蛛的種類不同而各異。到目前為止，生物學(xué)家共發(fā)現(xiàn)了7種類型的分泌腺，常見的有葡萄腺、梨狀腺、壺狀腺、葉狀線、集合腺等。蜘蛛的種類繁多，會(huì)吐絲結(jié)網(wǎng)的大約有2萬多種。按吐出絲種類的多少分為古蛛亞目、原蛛亞目和新蛛亞目。古蛛亞目的蜘蛛只能吐出一種絲；原蛛亞目的蜘蛛可吐出3種絲；新蛛亞目的蜘蛛可吐出7種絲。一般來說，新蛛亞目所有的蜘蛛都會(huì)有7種絲腺，各個(gè)絲腺分別能產(chǎn)生不同性質(zhì)的絲[1]。

1.2 蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu)

從外觀看，蜘蛛絲呈金黃色，超倍電子顯微鏡研究蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成高分子化合物——微原纖，多個(gè)微原纖的集合體形成原纖，由原纖的纖維束組成了蜘蛛絲。蜘蛛絲是一根單獨(dú)的長(zhǎng)絲，直徑只有幾微米(如圖1所示)，物理密度接近羊毛。蜘蛛的腺液離開蜘蛛體后，立刻成為固體，形成一種蛋白質(zhì)絲，固化后的這種蛋白質(zhì)絲即蜘蛛絲不溶于水，并具有其他纖維不可比擬的性能。

圖1 蜘蛛絲的表面掃描電鏡圖（圖中白色標(biāo)尺為5μm）

蘇州大學(xué)材料工程學(xué)院的潘志娟，朱美男，利用原子力顯微鏡研究了蜘蛛牽引絲及其內(nèi)外層包卵絲的微觀結(jié)構(gòu)[2]。研究表明，絲素和包卵絲纖維的縱向表面都有成絲過程中液態(tài)絲蛋白流動(dòng)而形成的清晰的構(gòu)槽和條紋，在低速下自然分泌的牽引絲的表面皮層相對(duì)比較細(xì)膩，而垂直下落蜘蛛在高速下分泌的牽引絲具有和絲素纖維比較相似的微觀結(jié)構(gòu)特征。這些絲纖維的斷面內(nèi)都分布有大量微細(xì)的原纖，形狀基本為圓形，其中三種蜘蛛絲的微纖維直徑相似，而絲素纖維內(nèi)的微纖維要粗得多。

蜘蛛牽引絲的表面雖然呈現(xiàn)凹凸不平的無序狀態(tài)，但形態(tài)上與絲素纖維間有較大差異，表面粗糙度比絲素要小得多，在高倍下并沒有清楚的絲蛋白流動(dòng)取向的路徑和原纖結(jié)構(gòu)的特征，但具有也許是水分蒸發(fā)凝固而形成的微小孔穴結(jié)構(gòu)。牽引絲斷面表明，牽引絲纖維內(nèi)還含有大量微細(xì)纖維，其直徑比絲素的小得多，大約為50nm，這可能和蜘蛛牽引絲具有皮芯層結(jié)構(gòu)有關(guān)，牽引絲的皮層沒有顯著的原纖結(jié)構(gòu)特征，但其芯層內(nèi)含有大量的微細(xì)纖維。

牽引絲的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能與成絲條件間有十分密切的關(guān)系。蜘蛛在水平面上自然爬行時(shí)所分泌的纖維，由于所處的狀態(tài)比較穩(wěn)定，成絲速度低(2cm/s左右)，因此結(jié)構(gòu)上比較細(xì)膩。從高處垂直下落的蜘蛛所分泌的牽引絲表面的無序程度遠(yuǎn)大于自然分泌的牽引絲，這和此時(shí)的成絲速度快(10-12cm/s)，在蜘蛛自重作用下，所受成絲應(yīng)力大有關(guān)。

2 蜘蛛絲纖維和生物紡絲過程的研究

2.1 天然蛛絲的成絲過程

蜘蛛絲的產(chǎn)生，以十字園蛛為例，在十字園蛛的前腹部有用來形成蛛絲纖維的壺狀腺，壺狀腺由3部分組成，中心小囊、一條很長(zhǎng)的彎管和出口。蜘蛛絲在拉絲時(shí)，小囊內(nèi)部的細(xì)胞會(huì)分泌出許多露珠狀的粘液，粘液中含有兩種蜘蛛素蛋白。當(dāng)這些黏液流到小囊的下部時(shí)，下部的細(xì)胞會(huì)分泌出另一種蛋白質(zhì)，即糖蛋白與之混合，從而形成液態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的纖維。然后，這些黏稠的液體便向出口流動(dòng)，此時(shí)，各種蛋白質(zhì)內(nèi)的長(zhǎng)分子會(huì)沿著纖維中心線平行地排列，并由分子間形成的氫鍵連接，最后完成蜘蛛絲的原料制備并向紡絲器輸出。

紡絲器位于蜘蛛腹部的中、后部，是最終“出產(chǎn)”蜘蛛絲的地方，紡絲器上有許多像噴頭形狀的紡絲管(如圖2所示)，蜘蛛絲就是從這里噴出來的。紡絲管的數(shù)量因蜘蛛種類的不同而各異，最多的是一種叫做線紋冒頭的蜘蛛，它身上的紡絲管竟然有9 600個(gè)之多，一根蜘蛛絲就是由紡絲器上噴出的無數(shù)細(xì)絲合成的[3]。

圖2 蜘蛛的紡絲管

2.2 生物紡絲的合成途徑

蜘蛛絲作為性能優(yōu)良的天然蛋白纖維有廣泛的應(yīng)用前景。但是，蜘蛛很難馴養(yǎng)，天然蜘蛛絲的產(chǎn)量低且難以大量收集，所以限制了蜘蛛絲的研究和利用。隨著對(duì)蛛絲蛋白基因尤其是牽絲蛋白基因分子結(jié)構(gòu)的深入解析及基因工程技術(shù)的發(fā)展，許多科研工作者通過對(duì)蛛絲蛋白的研究，化學(xué)合成蛛絲蛋白基因或從蜘蛛絲腺cDNA文庫中克隆蛛絲蛋白基因，選擇不同的表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行重組蛛絲蛋白表達(dá)，嘗試仿制性能優(yōu)越的蛛絲蛋白纖維。

2.2.1 利用動(dòng)物（奶?；蚰萄颍﹣砩a(chǎn)

加拿大Nexia生物工程有限公司宣布已能夠成功合成蜘蛛絲蛋白。辦法就是將能復(fù)制蜘蛛蛋白的合成基因移植給山羊，山羊奶中就含有類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)，其中含有經(jīng)基因重組的蛋白質(zhì)2~15g/L。用這種蛋白質(zhì)生產(chǎn)的纖維被取名生物鋼（Biosteel）。

2.2.2 利用微生物（細(xì)菌或酵母菌）來生產(chǎn)

這種方法是將能生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白的基因移植給微生物。例如：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種名叫Escherichia Coli的細(xì)菌和一種名為Pichia Pastoris的酵母菌，通過基因移植技術(shù)能合成出蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)。

2.2.3 利用植物來生產(chǎn)

這種方法是將能生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白的合成基因移植給植物，如花生、煙草及谷物等，使這些植物能大量生產(chǎn)類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)，然后再將這種蛋白質(zhì)提取出來作紡絲原料。

2.2.4 蠶吐蜘蛛絲生產(chǎn)

這種方法是將蜘蛛的基因采用電穿孔的方法注入很?。ㄖ挥邪肓Ｖヂ榇笮。┑男Q卵中，從而使培育出的家蠶分泌含有蜘蛛絲基因的絲。

3 蜘蛛絲的開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問題

由于蜘蛛絲本身具有超過其它纖維的綜合性能，它在紡織、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的有著廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今蜘蛛絲纖維的應(yīng)用領(lǐng)域主要在以下幾個(gè)方面：

（1）軍事方面，作防彈背心、制造坦克和飛機(jī)的裝甲以及軍事建筑物的防彈衣等。

（2）航空航天方面，可制作結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料及宇航服等。

（3）建筑方面，可用于橋梁、高層建筑及民用建筑等方面。

（4）農(nóng)業(yè)和食品方面，制作捕撈網(wǎng)具，包裝材料等。

（5）醫(yī)療和保健方面，可作高性能的生物材料，如人工筋腱、人工韌帶及人工器官、手術(shù)縫合線等。

雖然蜘蛛絲有超過其它纖維的許多性能，比如超高強(qiáng)度、超高彈性、耐低溫性等，但由于天然蜘蛛絲產(chǎn)量非常低，而且蜘蛛具有同類相食的個(gè)性，無法像家蠶一樣高密度養(yǎng)殖?，F(xiàn)今，科學(xué)家已經(jīng)提出并實(shí)現(xiàn)了一些仿蜘蛛絲蛋白的方法和途徑，但仍存在以下一些問題：

（1）和天然絲蛋白相比，人工絲蛋白基因及其表達(dá)還不是整長(zhǎng)度的，只是生產(chǎn)；

（2）表達(dá)效率還較低，而且存在表達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題；

（3）表達(dá)的絲蛋白一般不具有分子取向；

（4）還不能夠模擬蜘蛛絲的纖維化過程，將人工絲蛋白制成具有天然絲纖維特性的人工絲。

這其中最為關(guān)鍵的因素就是天然蛛絲蛋白在形成絲纖維過程中，絲蛋白分子要在蜘蛛的絲腺中逐步脫水，才能排列有序成為液晶態(tài)，最終經(jīng)吐絲器牽引或拉伸而成一定結(jié)構(gòu)和性能的絲纖維，所以由人工表達(dá)生產(chǎn)蛛絲蛋白到具有天然絲纖維特性的蛛絲，這中間的加工工藝還有待研究。

4 結(jié)語

專家預(yù)言,20世紀(jì)形成了石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)體系，21世紀(jì)將會(huì)出現(xiàn)生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。蜘蛛絲作為一種新興的生物材料，有著獨(dú)特、優(yōu)異的性能。隨著科技手段的迅速發(fā)展，人們必定越來越了解這種比鋼還要強(qiáng)的生物蛋白絲，深入了解蜘蛛絲的基因背景、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特性及其獨(dú)特的紡絲過程。這將推動(dòng)蜘蛛絲人工制造與工業(yè)化應(yīng)用研究，使其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟。尤其是基因微生物法合成蜘蛛絲技術(shù)的研究，使蜘蛛絲無法像蠶絲那樣大量生產(chǎn)的歷史宣告結(jié)束，蜘蛛絲將廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、高強(qiáng)度材料及紡織工業(yè)。

[1]趙愛春,夏慶友,魯成等.超級(jí)纖維蜘蛛絲的研究動(dòng)向[J].蠶學(xué)通訊,2007,2:28-34.

[2]潘志娟,李春萍,邱芯薇.蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)及其取向[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2002,2(6):30-32.

[3]張慧勤,王志新.蜘蛛絲的研究與應(yīng)用[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,16(4):47-50.

[4]曹建,丁振華,沈新元.新型生物質(zhì)纖維的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)纖檢,2012(1):82-86.

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[6]陳瑤,孟清,卿鳳翎.蜘蛛絲纖維的特性與開發(fā)生產(chǎn)[J].現(xiàn)代紡織技術(shù),2006(6):53-56.