作者：何文倩 刘遵峰
蜘蛛牵引丝不仅具有超高的断裂强度和韧性，还具有超收缩、旋转扭转运动以及形状记忆等行为，在制造人造韧带/肌腱、假肢、防弹背心、降落伞等方面具有潜在的应用前景。了解蜘蛛丝的结构将会有助于理解蜘蛛丝非凡的性能，设计出各种高性能的人造纤维材料。
蜘蛛的7种腺体[1]
蛛丝蛋白初级结构
蛛丝蛋白初级结构组成[1]
蜘蛛纺丝过程
蜘蛛纺丝过程[3]
蜘蛛牵引丝多级结构
蜘蛛丝多级结构[4]
人造蛛丝制备
虽然天然蜘蛛丝具有十分优异的性能，如高强度、良好的柔韧性和弹性，以及良好的生物相容性和生物可降解性等，但是由于蜘蛛同类相食的特性，不能大量养殖，因此，人造蛛丝的制备就显得尤为重要。基于重组蛛丝蛋白制备人造蛛丝是一种有效的方式[8]。
2015年，有研究小组小组采用十字园蛛丝蛋白3(ADF3)，在大肠杆菌中表达重组蛛丝蛋白。将冻干的重组蛛丝蛋白溶解并透析作为纺丝液进行纺丝，得到的人造蛛丝纤维拉伸强度为370兆帕，韧性为183兆焦每立方米;2017年，该团队又设计了一种短的主壶腹腺蛛丝蛋白，该蛋白融合了角织蛛末端结构域和圆织蛛核心结构域，所制备的人造蛛丝纤维拉伸强度为282兆帕，韧性为144兆焦每立方米。
另外，科学家们发现重组蛛丝浓度和分子量也会影响人造蛛丝纤维的力学性能。重组蛛丝蛋白分子量越高，所制得的人造蛛丝纤维力学强度越高，由分子量为284.9千道尔顿的重组蛛丝蛋白制备得到的人造蛛丝纤维拉伸强度可以达到508兆帕，杨氏模量达到21吉帕。
一般来说，重组蛛丝蛋白的浓度很难达到天然蛛丝蛋白的浓度(50%)。有研究团队设计了一种嵌合重组蛛丝蛋白，由来自Euprosthenops australis MaSp1可溶的氨基末端结构域和来自大腹园蛛MiSp可溶的羧基末端结构域组成，这种嵌合重组蛛丝蛋白浓度高达50%，纺出的纤维拉伸强度为162兆帕，韧性为45兆焦每立方米。与纯蛛丝蛋白纤维相比，多组分复合纤维有望具有更高的机械性能和稳定性。另有研究团队将蜘蛛牵引丝蛋白和丝素蛋白复合，制备的纤维韧性达到116兆焦每立方米。此外，将MaSp1靶向整合到家蚕丝腺中，显著改善了蚕丝纤维的力学性能，尤其是拉伸性能，所得到的纤维断裂强度为371.5兆帕，断裂应变为32.2%。而其他学者将蛛丝蛋白基因插入丝素蛋白重链或轻链的内含子中，由此产生的纤维拉伸强度高达1.2吉帕。
除了基于重组蛋白制备人造蛛丝外，科学家们通过模仿蜘蛛丝的多级结构如交联结构、螺旋的纳米纤维结构以及核壳结构等，已经开发出了很多性能优异的人造纤维[9]。
结 语
参考文献
本文转载自上海《科学》杂志2024年第76卷第5期，由科学杂志（kexuemag）原创并授权转载，本文版权归上海《科学》杂志所有。
来源：科学杂志1915
编辑：Decoherence
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
↓ 点击标题即可查看 ↓
