化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)--蜘蛛絲的合成

1、蜘蛛絲的應(yīng)用及合成蜘蛛絲結(jié)構(gòu)特性 蜘蛛絲主要由甘氨酸，丙氨酸及小部分的絲氨酸加上其它氨基酸單體分子聚合而成。其分子鏈中有晶區(qū)和無定形區(qū)。晶區(qū)分子高度取向，結(jié)晶區(qū)被無 定形區(qū)分開并占一定體積 ，是其具有高強(qiáng)度 、高 韌 度 、高 粘 彈 性 的 基 礎(chǔ) ；無定形區(qū)結(jié)構(gòu)分子鏈能形成伸展的聚合玻 璃 態(tài) ，這是蛛絲具有高彈性 、高平衡 阻滯能力的原 因 。需求分析 蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其理化性質(zhì)與蠶絲相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，在力學(xué)強(qiáng)度方面，蜘蛛絲纖維與強(qiáng)度最高的碳纖維及高強(qiáng)合纖Aramid、Kelve，等強(qiáng)度相接近，但它的韌性明顯優(yōu)于上述幾種纖維。因此，蜘蛛絲纖維在國(guó)防、軍事（防彈衣）、醫(yī)療、建

2、筑、紡織等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景3在軍事方面 人造基因蜘蛛絲，也稱生物鋼，它比普通鋼強(qiáng)4至5倍，而且具有如蠶絲般的柔軟和光澤，可用于制造高級(jí)防彈衣，讓我們對(duì)比一下，軍隊(duì)目前的防彈衣是用13層Kevlar 制成的，令人吃驚的是，蛛絲的堅(jiān)韌性是Kevlar 織品的3倍!其超級(jí)伸長(zhǎng)能力使它斷裂時(shí)需要吸收更多的能量，理論上可以使射彈更有效地減速。把它用于防彈衣，會(huì)起到極好的消力作用，對(duì)破碎作用是一種很大的障礙。 生物鋼的用途廣泛，還能制造戰(zhàn)斗飛行器、坦克、雷達(dá)、衛(wèi)星等裝備的防護(hù)罩等。 在大片蜘蛛俠中，主人公彼得帕克被一只經(jīng)過基因?qū)嶒?yàn)改造的蜘蛛咬 傷后，具有了不可思議的超人力量。身穿蜘蛛服的彼得，靠一根蛛

3、絲，在摩天大 樓的墻壁上疾速飛馳，為了保護(hù)城市的安全與“綠惡魔”殊死搏斗，最終成為救 人于危難的超級(jí)英雄。 然而，這種電腦創(chuàng)造的科幻技術(shù)目前正在被美軍一步步變成現(xiàn)實(shí)。據(jù)悉，美軍目前正在用新技術(shù)打造像“蜘蛛俠”一樣的“戰(zhàn)爭(zhēng)超人”。美國(guó)陸軍和麻省理工學(xué)院正在研究用蜘蛛絲制造一種全新的軍裝,這種軍裝不僅能成為士兵的防彈裝甲,還可以自動(dòng)適應(yīng)不同溫度環(huán)境,甚至能為生病或受傷的士兵起到一定的醫(yī)療作用。 目前，科學(xué)家表示，蜘蛛絲噴涂石墨烯和碳納米管微粒將具有超強(qiáng)韌性，甚至未來這種材料可用于捕獲空中墜落飛機(jī)。制造輕便的航天服開發(fā)輕便耐極端條件的航天材料 在紡織方面 英國(guó)藝術(shù)家Simon Peers 花了5年時(shí)

4、間使用蜘蛛絲紡成的一塊布。目前這玩意正在紐約美國(guó)自然歷史博物館上展出。它長(zhǎng)3.35米，一共花費(fèi)30w英鎊。據(jù)說所有的絲提取自100多萬只馬達(dá)加斯加島golden orb 雌性蜘蛛。在醫(yī)學(xué)醫(yī)療方面 蜘蛛絲的優(yōu)越性還在于它是蛋白質(zhì)纖維，與人體具有“兼容性”。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到具有蜘蛛絲特點(diǎn)的“生物鋼”制成人工關(guān)節(jié)、韌帶、人類使用的假肢、人造肌腱等產(chǎn)品，具有韌性好、可降解等特性。蜘蛛絲在醫(yī)學(xué)和醫(yī)療方面有廣泛用途。在建筑方面 蜘蛛絲的強(qiáng)度高，韌性大和一定的熱穩(wěn)定性，在極高溫度下才會(huì)分解，因此蜘蛛絲可用于結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料等高強(qiáng)度材料。在建筑方面，蜘蛛絲可用做結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料，代替混凝土中的鋼筋，應(yīng)用

5、于橋梁、高層建筑和民用建筑等，可大大減輕建筑物自身的重量，還可以抗震。 其半晶體結(jié)構(gòu)可以發(fā)展生物半導(dǎo)體技術(shù)，其穩(wěn)定的室間構(gòu)象和在一定條件下可逆的自裝配行為可作為生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)良材料。研究現(xiàn)狀及問題 然而蜘蛛種類繁多，不同種類的蜘蛛絲的組成差異很大，而同一種蜘蛛不同絲腺中的液狀絲的氨基酸組成也有很大差異。而我們對(duì)蜘蛛產(chǎn)生的各種絲的組成和結(jié)構(gòu)僅有有限的信息和數(shù)據(jù)。天然蜘蛛絲不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求！ 天然蜘蛛絲本身具有優(yōu)異的性能， 但除產(chǎn)量有限外還存在以下缺陷：蜘蛛本身存在很多腺器，不同腺器的絲性能不一，這就造成很難抽取性能單一的絲；易含雜質(zhì)；直徑較粗，27m，限制了應(yīng)用范圍；難以開發(fā)加工成特定形狀的

6、材料以供不同用途之需。 而且蜘蛛屬肉食性動(dòng)物，不喜歡群居，當(dāng)幾只蜘蛛被放在一起時(shí)， 它們之間往往會(huì)相互撕咬，所以難以大量飼養(yǎng)蜘蛛，極大地制約了蜘蛛絲在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用。如何制造大批量的蜘蛛絲蛋白？！如何制造大批量的蜘蛛絲蛋白？！制備方案A：微生物途徑B：動(dòng)物途徑C：植物途徑D：“蠶吐絲”途徑E：靜電仿絲技術(shù)微生物途徑 此法是將蜘蛛絲基因轉(zhuǎn)移到能在大培養(yǎng)容器里生長(zhǎng)的細(xì)菌上,通過細(xì)菌發(fā)酵的方法來獲得蜘蛛絲蛋白質(zhì),再把這種蛋白質(zhì)從微孔中擠出,就可得到極細(xì)的絲線。而且將產(chǎn)絲的蜘蛛基因植入細(xì)菌中，產(chǎn)絲基因演變成獨(dú)立的細(xì)菌，進(jìn)行幾百萬次繁殖生產(chǎn)出絲。這種細(xì)菌的出現(xiàn)，不但降低了產(chǎn)絲的成本，而且還會(huì)提高絲

7、的質(zhì)量。動(dòng)物途徑 在某些哺乳動(dòng)物如山羊、奶牛等動(dòng)物體內(nèi)注入蜘蛛基因之后，從所產(chǎn)的乳液中可提取一種特殊的蛋白質(zhì)，這種含有蜘蛛絲基因的蛋白質(zhì)可用來生產(chǎn)蜘蛛絲纖維。植物途徑 將蜘蛛絲基因移植入植物，培育出能夠產(chǎn)生絲蛋白的轉(zhuǎn)基因植物。該方法是將蜘蛛體內(nèi)絲蛋白基因注入土豆和煙草等植物中，以使這些植物在它們的組織中制造大量的絲蛋白，通過植物大面積的種植，獲取絲蛋白。提取這類植物中的類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)，用作紡紗的原料。用所得到的植物蛋白質(zhì)進(jìn)行紡絲，這種絲可制織具有超強(qiáng)韌性的工程材料及能自行分解的化學(xué)織物，減少了對(duì)環(huán)境的污染，成本可能還要低廉。因此成功地培育出能夠生產(chǎn)絲蛋白的轉(zhuǎn)基因植物，將大量制取絲蛋白

8、開辟新途徑?！靶Q吐絲”途徑 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將蜘蛛“牽引絲”部分的基因通過“電穿孔”的方法注入蠶卵中，蠶與蜘蛛同為生物紡絲體，但蠶絲在性能上與蜘蛛絲有很大的差異。因此我們可以將蜘蛛絲的基因轉(zhuǎn)移至蠶體內(nèi)，以使蠶絲獲得蜘蛛絲的某些性能特點(diǎn)。 將蜘蛛絲部分的基因注入只有半粒芝麻大的蠶卵中,使培育出來的家蠶分泌出含有蜘蛛絲蛋白的蜘蛛絲。靜電仿絲技術(shù) 以膠原蛋白、蠶絲絲素等蛋白質(zhì)為原料，用靜電紡的方法制備擬用作生物醫(yī)學(xué)材料的納米級(jí)纖維。因此我們可以利用靜電仿絲技術(shù)將天然蜘蛛絲制成性能更加優(yōu)良的納米纖維膜，滿足特定的性能需求。選擇依據(jù)權(quán)重微生物途徑動(dòng)物途徑植物途徑蠶吐絲途徑靜電仿絲途徑科學(xué)成熟性0.489

9、787工程可靠性0.388797安全性0.288787公眾反應(yīng)0.188686總分188.46.98.36.9方案確認(rèn)通過評(píng)分我們選取了方案A、B、D進(jìn)一步做比較：A方案通過培養(yǎng)皿培養(yǎng)細(xì)菌，細(xì)菌繁殖快，生產(chǎn)成本低且可以大批量生產(chǎn)。成功案例：慕尼黑理工大學(xué)生物化學(xué)家托馬斯.沙伊貝爾在研究中，利用基因改良過的大腸桿菌刺激昆蟲細(xì)胞，使其產(chǎn)生分泌蛛絲所需的特定蛋白質(zhì)，最終得到質(zhì)量極佳的人工絲，其韌度可達(dá)天然蛛絲的20。而在此之前，品質(zhì)最好的人工合成絲也只能達(dá)到天然蛛絲韌度的510。B方案操作難度稍大。成功案例：美國(guó)科學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因法將黑寡婦蜘蛛絲蛋白基因放入奶牛的胎盤內(nèi)進(jìn)行特殊培育 等到奶牛長(zhǎng)大后 所產(chǎn)奶含有黑寡婦蜘蛛絲蛋白 再用乳品加工設(shè)備將蜘蛛絲蛋白從牛奶中提取出來，然后紡絲成纖維，其強(qiáng)度比鋼大10倍，純度可高達(dá)70%90%。C方案操作難度大，技術(shù)要求高。但因蜘蛛的紡絲過程與蠶絲類似，一旦投產(chǎn)可以極大地