高強(qiáng)高模天然纖維——蜘蛛絲

1、蜘蛛絲作者：凌 正摘要：蜘蛛絲是一種天然動(dòng)物蛋白纖維,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多種重復(fù)多肽序列,具有多樣的分子結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能與生物生態(tài)學(xué)功能,同時(shí)還具有強(qiáng)度高、彈性好、初始模量大、斷裂能大、可生物降解、生物相容性好、保濕性好、輕盈等其它合成高性能纖維所無(wú)法比擬的優(yōu)良機(jī)械性能及特性。為此,本研究對(duì)蜘蛛絲的組成、結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、紡絲機(jī)理、應(yīng)用前景進(jìn)行了概述，并且通過(guò)對(duì)蜘蛛絲的氨基酸組成及其絲纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和蜘蛛絲的分子構(gòu)象與聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的分析研究，探索蜘蛛絲的組成與結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，對(duì)于開(kāi)發(fā)新型纖維材料具有重要啟迪意義。  關(guān)

2、鍵詞：高強(qiáng)、高模、天然纖維、蜘蛛絲、結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、應(yīng)用前景。正文：前言蜘蛛因具有許多天然纖維甚至高性能合成纖維無(wú)法比擬的優(yōu)異力學(xué)性能，而成了國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，近年來(lái)，國(guó)外的學(xué)者在研究蜘蛛絲結(jié)構(gòu)和性能的同時(shí)，借助于日益發(fā)展的生物技術(shù)，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛絲蛋白，并采用化學(xué)纖維紡絲的方法將其制成類(lèi)蜘蛛絲，但由于性能上的缺陷、加工過(guò)程復(fù)雜、成本高等因素，仿蜘蛛絲尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。從材料科學(xué)的角度來(lái)看，纖維的性能取決于其大分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，探明纖維性能形成機(jī)理的根本在于：掌握其結(jié)構(gòu)和性能間的本構(gòu)關(guān)系。因此，要使蜘蛛絲的力學(xué)性能在人造生體高分子纖維上得到表達(dá)，

3、研究其性能的結(jié)構(gòu)機(jī)理和形成這種結(jié)構(gòu)的方法原理是至關(guān)要的。本文以廣泛分布于我國(guó)各地的大腹圓蛛為研究對(duì)象，在研究分析其三種主要的絲纖維牽引絲、蛛網(wǎng)框絲、包卵絲的力學(xué)性能、色澤、密度與吸濕性以及熱學(xué)性能的基礎(chǔ)上，從以下幾方面探索了蜘蛛絲優(yōu)異力學(xué)性能的形成機(jī)理。研究了蜘蛛絲力學(xué)性能的分子基礎(chǔ) 分析大腹圓蛛絲纖維的氨基酸組成特征，并通過(guò)與其他種類(lèi)蜘蛛絲及蠶絲絲素纖維的比較，研究蜘蛛絲的氨基酸組成對(duì)其分子結(jié)構(gòu)和分子排列的影響。采用激光拉曼光譜和紅外光譜技術(shù)，分析了不同功能蜘蛛絲的分子構(gòu)象，探索了蜘蛛絲的氨基酸組成及分子結(jié)構(gòu)和其力學(xué)性能間的關(guān)系。蜘蛛絲優(yōu)異力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)機(jī)理及其?；芯苛酥┲虢z力學(xué)性能與

4、微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系采用x射線衍射技研究和分析了蜘蛛絲的結(jié)晶結(jié)構(gòu)及其取向。通過(guò)對(duì)蜘蛛絲的物理、化學(xué)處利用掃描電鏡觀察和分析了蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)了蜘蛛絲具有皮術(shù)理芯層結(jié)構(gòu)和原纖化構(gòu)造。分析了結(jié)晶度不足10%的蜘蛛絲具有高強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)的原因，研究了皮芯層結(jié)構(gòu)對(duì)蜘蛛絲力學(xué)性能的影響以及不同功能蜘蛛絲應(yīng)力一應(yīng)變行為差異的形成原因。研究了成絲條件與蜘蛛絲分子結(jié)構(gòu)及性能的關(guān)系在分析蜘蛛絲生物紡絲機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究了成絲過(guò)程中蜘蛛絲蛋白分子構(gòu)象的變化規(guī)律，探索了成絲條件對(duì)蜘蛛絲分子結(jié)構(gòu)的影響以及蜘蛛隨著生存環(huán)境和成絲方式的不同對(duì)絲纖維性能的自動(dòng)調(diào)控能力，并進(jìn)一步分析了分子結(jié)構(gòu)和蜘蛛絲力學(xué)性能間的關(guān)系。研究

5、了皮芯層的比例和性能特征對(duì)蜘蛛絲纖維拉伸斷裂模式的作用，并建立了理論方程。 蜘蛛絲的歷史：蜘蛛絲是一種天然高分子蛋白纖維和生物材料。纖維具有很高的強(qiáng)度、彈性、伸長(zhǎng)、韌性及抗斷裂性，同時(shí)還具有質(zhì)輕、抗紫外線、比重小、耐低溫的特點(diǎn)，是其它纖維所不能比擬的。纖維初始模量高、斷裂功大、韌性強(qiáng)，是加工特種紡織品的首選原料。蜘蛛絲由蛋白質(zhì)組成，是一種可生物降解且無(wú)污染的纖維。蜘蛛絲紡織品的生產(chǎn)可追溯至18世紀(jì)，最具代表性的是1710年巴黎科學(xué)院展出的蜘蛛絲長(zhǎng)統(tǒng)襪和手套，這是人類(lèi)歷史上第一雙用蜘蛛絲織成的長(zhǎng)統(tǒng)襪與手套；1864年美國(guó)制作了另外一雙薄蛛絲長(zhǎng)統(tǒng)襪，所用的蛛絲是從500個(gè)蜘蛛噴絲頭中抽取

6、出來(lái)的，這種長(zhǎng)統(tǒng)襪由于太薄而不能穿；1900年巴黎世界博覽會(huì)上展示了用2.5萬(wàn)只蜘蛛吐出的9.14萬(wàn)米長(zhǎng)的絲織成的一塊長(zhǎng)16.46m、寬0.46m的布，該產(chǎn)品花費(fèi)太高，沒(méi)有帶來(lái)商業(yè)利潤(rùn)。到1997年初，美國(guó)生物學(xué)家安妮·穆?tīng)柊l(fā)現(xiàn)，在美國(guó)南部有一種被稱(chēng)為“黑寡婦”的蜘蛛，它吐出的絲比現(xiàn)在所知道的任何蜘蛛絲的強(qiáng)度都高。蜘蛛絲特殊的結(jié)構(gòu)和性能已引起世界各國(guó)的關(guān)注，并在紡織、醫(yī)療衛(wèi)生和軍事領(lǐng)域產(chǎn)生了極其重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家已通過(guò)基因工程將蜘蛛的基因移植到其它動(dòng)植物體內(nèi)，從而使蜘蛛絲纖維實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。一、蜘蛛絲的組成蜘蛛絲產(chǎn)生于蜘蛛體內(nèi)特殊的分泌腺，這些分泌腺因蜘

7、蛛的種類(lèi)不同而各異。到目前為止，生物學(xué)家共發(fā)現(xiàn)了7種類(lèi)型的分泌腺，常見(jiàn)的有葡萄腺、梨狀腺、壺狀腺、葉狀腺、集合腺等。蜘蛛的種類(lèi)繁多，會(huì)吐絲結(jié)網(wǎng)的大約有2萬(wàn)多種。按吐絲種類(lèi)的多少，蜘蛛可分為古蛛亞目、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(lái)說(shuō)，新蛛亞目所有的蜘蛛都會(huì)有7種絲腺，各種絲腺分別能吐出不同性質(zhì)的蜘蛛絲(見(jiàn)表1-6)。蜘蛛絲的主要成份是蛋白質(zhì)，其基本組成單元為氨基酸。蜘蛛絲中含17種左右的氨基酸，各種氨基酸的含量因蜘蛛的種類(lèi)不同而存有一定的差異。蜘蛛絲中含量最高的7種氨基酸的總和約占其總量的90%，它們分別為甘氨酸、

8、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、絲氨酸、亮氨酸和精氨酸(見(jiàn)表1-7)。表1-6 圓蛛族7種絲腺吐絲及其性質(zhì)蜘蛛的種類(lèi)很多，不同蜘蛛絲的氨基酸組成差異很大。目前，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)，大多數(shù)的研究是關(guān)于絡(luò)新婦屬蜘蛛(Nephlia clavipe)腹?fàn)钕偌彸龅闹┲虢z，又稱(chēng)為蜘蛛的牽引絲(dragline)。與蠶絲一樣，蜘蛛絲的主要成分是一種叫做蜘蛛素的特殊蛋白質(zhì)，其成分與蠶絲中的絲蛋白相似。這種蛋白質(zhì)內(nèi)合有大量的丙氨酸(約占25%)和甘氨酸(約占40%)。研究發(fā)現(xiàn)，含丙氨酸的蛋白分子排列成緊密的折皺結(jié)構(gòu)，呈晶體狀，是造成蜘蛛絲異常堅(jiān)固的原因；而含甘氨酸的蛋白分子的排列卻顯得

9、雜亂無(wú)章，從而使得蜘蛛絲有極好的彈性和擴(kuò)張性，這就是蜘蛛絲既堅(jiān)又韌的原因。二、蜘蛛絲纖維的結(jié)構(gòu)（一）蜘蛛絲的形態(tài)蜘蛛絲呈金黃色，具有透明外觀，在超倍電子顯微鏡下，看起來(lái)與蠶絲很相似。它的超分子結(jié)構(gòu)是由原纖組成，而原纖由120nm的微原纖組成，微原纖則是由蜘蛛絲蛋白構(gòu)成的高分子化合物。蜘蛛絲的形態(tài)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-3。纖維的橫截面呈圓形或接近圓形，表面沒(méi)有水溶性物質(zhì)和絲膠；縱向形態(tài)有明顯的收縮，絲中央有一道凹痕。蜘蛛絲在水中有較大的溶脹性，截面會(huì)發(fā)生膨脹而徑向則會(huì)發(fā)生明顯的收縮。蜘蛛絲是單絲，直徑只有幾微米，物理密度接近羊毛。蜘蛛的腺液離開(kāi)蜘蛛體后，會(huì)立刻成為固體，形成一種蛋白質(zhì)絲，固化后的蜘蛛絲不溶

10、于水，并具有其他纖維無(wú)法比擬的性能。(a) 橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)(b)縱向表面形態(tài)圖1-3 蜘蛛絲的形態(tài)結(jié)構(gòu)蜘蛛絲具有皮芯層結(jié)構(gòu)，皮層和芯層可能是由兩種不同的蛋白質(zhì)組成的，皮芯層分子排列的穩(wěn)定性也不同，皮層蛋白的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。蜘蛛絲的皮層和芯層是由腺體的2個(gè)不同區(qū)域組成的，皮層液狀蛋白為六角形的柱狀液晶，液晶狀的皮層在外力的作用下，容易取向排列，且皮層凝固速度高于芯層，所以皮層拉伸效果比芯層好，同時(shí)皮層分子排列的規(guī)整程度高于芯層，因此皮層化內(nèi)層致密，對(duì)纖維有很好的保護(hù)作用，這使蜘蛛絲能表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和韌性。蜘蛛絲纖維在外力作用下分子鏈會(huì)逐漸伸直，致密的皮層能使纖維的斷裂有一個(gè)緩沖過(guò)程，同時(shí)在外力繼續(xù)

11、作用下，芯層的原纖和原纖內(nèi)的分子鏈能夠沿著外力作用方向取向、重排和形成新的結(jié)合，所以皮層這種致密結(jié)構(gòu)使得拉伸過(guò)程中纖維的各部分都能夠被有效利用，這也是蜘蛛絲斷裂伸長(zhǎng)大的主要原因。（二）蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu)蜘蛛的蛋白質(zhì)分子構(gòu)象為-折疊鏈，分子鏈沿著纖維軸線的方向呈反平行排列，相互間以氫鍵結(jié)合，形成曲折的柵片，其多肽鏈排列整齊、密集形成結(jié)晶區(qū)。尺寸為2 nm×5 nm×7 nm的納米微晶體，占蜘蛛絲纖維總質(zhì)量的10%左右，它是分散在蜘蛛絲無(wú)定形蛋白質(zhì)基質(zhì)中的增強(qiáng)材料。由于蜘蛛絲的晶粒如此之小，以至于纖維在外界拉力作用下隨著類(lèi)似于橡膠的無(wú)定形區(qū)域的取向增加，蜘蛛絲晶體的取向度也隨之增

12、加。當(dāng)纖維拉伸度為10%時(shí)，纖維結(jié)晶度不變，結(jié)晶體的取向增加，橫向晶體尺寸(即垂直于纖維軸向)有所減少，這是任何合成纖維的結(jié)構(gòu)隨拉伸形變無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特性。蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu)模型可以這樣描述：由柔韌的蛋白質(zhì)分子鏈組成無(wú)定型區(qū)，再由一定硬度的棒狀微粒晶體起增強(qiáng)作用。這些晶體由疏水性的聚丙氨酸排列的-折疊片層組成，折疊片層中分子在氫鍵作用下相互平行排列。另一方面，甘氨酸富集的聚肽鏈組成了蜘蛛絲蛋白中的無(wú)定形區(qū)，無(wú)定形區(qū)內(nèi)的聚肽鏈間通過(guò)氫鍵交聯(lián)，構(gòu)成了類(lèi)似橡膠分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)模型可以看出，由于結(jié)晶區(qū)內(nèi)多肽鏈分子間的氫鍵作用，分子間作用力很大；而沿著纖維軸線方向排列的晶區(qū)結(jié)構(gòu)又使外力作用時(shí)有更

13、多的小晶區(qū)能承受外力作用，這是使得蜘蛛絲具有很高的強(qiáng)度的原因。同時(shí)，由于蜘蛛絲的結(jié)晶度為10%15%，比蠶絲(50%60%)小得多，而非結(jié)晶區(qū)則比蠶絲大得多。因此，可以認(rèn)為蜘蛛絲具有良好彈性的主要原因是非結(jié)晶區(qū)的貢獻(xiàn)。此外，非結(jié)晶區(qū)分子呈轉(zhuǎn)角狀，當(dāng)受到拉伸力作用時(shí)可能會(huì)形成轉(zhuǎn)角螺旋，這也賦予了蜘蛛絲良好的彈性。圖1-4 蜘蛛絲的顯微電鏡圖人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)蜘蛛絲能吸收振動(dòng)能量，并能使機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱量假如不是這樣，則飛行蒼蠅和蝴蝶撞上蜘蛛網(wǎng)時(shí)就會(huì)被彈回到相反方向。蜘蛛絲為何具有這些特性，長(zhǎng)期以來(lái)一直無(wú)人知曉。美國(guó)加利福尼亞研究機(jī)構(gòu)的物理學(xué)家和生物學(xué)家組成的研究小組揭開(kāi)了蜘蛛絲的秘密，他們?cè)陲@微鏡下發(fā)現(xiàn)

14、蜘蛛絲是一根極細(xì)的螺線，看上去像長(zhǎng)長(zhǎng)的浸過(guò)液體的“彈簧”(圖1-4)。當(dāng)“彈簧”被拉長(zhǎng)時(shí)它會(huì)竭力返回原有的長(zhǎng)度，但是當(dāng)它收縮時(shí)液體會(huì)吸收全部剩余能量，同時(shí)使機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱量。（三）蜘蛛絲的成絲過(guò)程圖1-5 蜘蛛的紡絲管蜘蛛吐絲的過(guò)程基本相似，以十字圓蜘蛛為例，在十字圓蜘蛛的前腹部有用來(lái)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

15、長(zhǎng)分子會(huì)沿著纖維的中心線平行地排列，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(圖1-5)，蜘蛛絲就是從這里噴出來(lái)的。紡絲管的數(shù)量因蜘蛛種類(lèi)的不同而各異，數(shù)量最多的是一種線紋冒頭蜘蛛，它身上的紡絲管有9600根，一根蜘蛛絲就是由無(wú)數(shù)紡絲器上噴出的細(xì)絲合并成的。三、蜘蛛絲的性能（一）蜘蛛絲的力學(xué)性能斷裂性能蜘蛛絲的物理密度是1.34 g/cm3，與蠶絲和羊毛接近。蜘蛛絲最吸引人的地方是其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，即高強(qiáng)度、高彈性、高柔韌性、高斷裂能。由表1-8可以看出，大腹圓蜘蛛的牽引絲、

16、框絲和外層包卵絲的斷裂強(qiáng)度均比蠶絲絲素大，斷裂伸長(zhǎng)是絲素的35倍，斷裂比功也比絲素大得多。蜘蛛絲的斷裂強(qiáng)度雖然不及鋼絲和用于制造防彈衣的高性能纖維Kevlar，但是其斷裂伸長(zhǎng)是鋼絲的510倍，是Kevlar的1020倍，其斷裂功比鋼絲和Kevlar大得多。此外，纖維有較高的干濕模量，在干濕態(tài)下都具有高拉伸強(qiáng)度和高延伸度。剪切性能蜘蛛絲很細(xì)，其橫向壓縮能力要比其它纖維差，纖維有很大的各向異性。蜘蛛絲有很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)性能，其剪切強(qiáng)度比其它纖維（包括凱夫拉）要高得多，具有很高的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。彈性蜘蛛絲具有良好的彈性，當(dāng)伸長(zhǎng)至斷裂伸長(zhǎng)率的70%時(shí)，彈性恢復(fù)率仍可高達(dá)80%90%。（二）蜘蛛絲的耐熱性蜘蛛絲有

17、良好的耐高溫、低溫性能。據(jù)報(bào)導(dǎo)，蜘蛛絲200下表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性；在300以上才變黃，并開(kāi)始分解；在零下40 時(shí)仍有彈性，只有在更低的溫度下才會(huì)變硬。在有高溫、低溫使用需求的場(chǎng)合下，蜘蛛絲纖維的優(yōu)點(diǎn)非常顯著。（三）蜘蛛絲的化學(xué)性能蜘蛛絲是一種蛋白質(zhì)纖維，具有獨(dú)特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀堿，但溶于溴化鋰、甲酸、濃硫酸等。對(duì)蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解。遇高溫加熱時(shí)可以溶于乙醇。蜘蛛絲所顯示的橙黃色遇堿加深，遇酸則褪色。它的微量化學(xué)性質(zhì)與蠶絲相似。蜘蛛的腺液離開(kāi)身體后馬上形成固體，成為一種蛋白質(zhì)絲，這種蛋白絲不溶于水。蜘蛛絲可以生物降解和回收，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。四、蜘蛛絲纖維的生產(chǎn)方

18、法科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：蜘蛛的天然共存性很差，它們會(huì)自相殘殺，同類(lèi)相食。如果通過(guò)大量飼養(yǎng)繁殖蜘蛛的方法來(lái)獲取蜘蛛絲是無(wú)法滿足生產(chǎn)需要的。隨著生物技術(shù)、遺傳基因技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)蜘蛛絲蛋白和腺體分泌物的研究，科學(xué)家們成功地制造出了蜘蛛絲蛋白的合成基因，利用這種基因可生產(chǎn)出與天然蜘蛛絲蛋白相似的產(chǎn)品，這一研究成果，使得大規(guī)模生產(chǎn)人工合成蜘蛛絲成為可能。從分類(lèi)學(xué)的角度出發(fā)，這種人工合成的蜘蛛絲應(yīng)屬于再生蛋白質(zhì)纖維。目前，蜘蛛絲生產(chǎn)的方法有以下幾種：(1)牛、羊乳蜘蛛絲利用生物技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)使奶羊或奶牛與蜘蛛“聯(lián)姻”，將蜘蛛的蛋白基因注入奶?；蚰萄颍洚a(chǎn)下的奶中就含有大量的柔軟光滑的蜘蛛蛋白成分，這種含有蜘

19、蛛絲基因的蛋白質(zhì)可用來(lái)生產(chǎn)有“生物鋼”之稱(chēng)的纖維。據(jù)報(bào)道，加拿大一家生物技術(shù)公司已經(jīng)成功地利用基因移植技術(shù)，使山羊生產(chǎn)的奶中含有類(lèi)似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)。用這種蛋白質(zhì)生產(chǎn)的纖維，其強(qiáng)度是芳綸的3.5倍。利用這種纖維，可織成強(qiáng)度很高的面料。我國(guó)于近兩年開(kāi)始研究人工合成蜘蛛絲?？茖W(xué)家們將蜘蛛絲蛋白基因注入到小白鼠身上，成功地培養(yǎng)了一批帶有蜘蛛絲蛋白基因的老鼠，并從這些轉(zhuǎn)基因鼠的乳汁中提取了蜘蛛絲蛋白。不久將開(kāi)始培育轉(zhuǎn)基因奶牛，以達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白的目的。(2)蠶吐蜘蛛絲利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將蜘蛛絲的基因通過(guò)“電穿孔”的方法注入很小的蠶卵中，用蜘蛛絲基因取代蠶絲基因中的強(qiáng)度片段，從而在家蠶基因鏈中

20、產(chǎn)生了部分蜘蛛絲基因。中科院上海生命科學(xué)研究院運(yùn)用轉(zhuǎn)基因方法，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了綠色熒光蛋白與蜘蛛絲基因的融合，獲得了熒光繭種高級(jí)的綠色環(huán)保材料。(3)微生物合成蜘蛛絲將蜘蛛絲蛋白的基因移植給微生物，當(dāng)微生物繁殖時(shí)，可產(chǎn)生大量的類(lèi)似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌和一種酵母菌通過(guò)基因移植技術(shù)能夠合成出類(lèi)似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)。(4)轉(zhuǎn)基因植物合成蜘蛛絲雖然利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物或培育轉(zhuǎn)基因細(xì)菌能生產(chǎn)出蜘蛛絲，但使用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)絲蛋白的成本更低。將能生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白的合成基因移植給植物，如谷物、花生、土豆和煙草等，通過(guò)大面積的種植，獲取絲蛋白。德國(guó)科學(xué)家已從蜘蛛體內(nèi)提取出蜘蛛絲蛋白基因，并將它

21、植入多種植物的基因組。所培育出的轉(zhuǎn)基因植物中，植株體內(nèi)產(chǎn)生的絲蛋白含量超過(guò)了2%。五、蜘蛛絲纖維的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)蜘蛛絲的研究主要集中在兩個(gè)方面：首先是對(duì)蜘蛛絲的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的研究，特別是研究和分析了產(chǎn)生蜘蛛絲優(yōu)異力學(xué)性能的機(jī)理；其次是人工合成蜘蛛絲的新方法研究。國(guó)內(nèi)對(duì)蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)以及蜘蛛絲優(yōu)異力學(xué)性能產(chǎn)生機(jī)理的研究較深入的主要是蘇州大學(xué)的潘志娟、李春萍等，他們以大腹圓蛛牽引絲為研究對(duì)象，分析了蜘蛛絲的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，并在結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，探索和分析了蜘蛛絲優(yōu)異的力學(xué)性能的形成機(jī)理，研究表明，蜘蛛絲具有原纖化和皮芯結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶度和取向度都很低，蜘蛛絲內(nèi)可能含有分子排列介于結(jié)晶態(tài)和

22、非結(jié)晶態(tài)的中間相。原纖分析表明，蜘蛛絲優(yōu)異的力學(xué)性能可能是原纖化結(jié)構(gòu)、皮芯結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的中間相以及無(wú)定型區(qū)共同作用的結(jié)果。此外，他們還研究了蜘蛛絲的熱學(xué)性能和一些物理性能。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的王建平、彭衛(wèi)平等利用SEM技術(shù)觀察大腹圓蛛絲的形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)：大腹圓蛛絲的牽引絲是由單根、雙根、三根、四根的單絲纖維組成，且這四種形態(tài)的牽引絲表面也有區(qū)別，其中包卵絲的伸長(zhǎng)率，斷裂強(qiáng)度與牽引絲相當(dāng)，但包卵絲的剛性遜于牽引絲，大腹圓蛛的絲與其他種類(lèi)的蜘蛛絲差異不大。國(guó)外對(duì)蜘蛛絲的微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究也很多，S.F.Y.Li、Masayoshi Kitagawa Augsten K.等分別利用AFM、SEM、TEM分析了N

23、ephilia Clavipes牽引絲的微細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了牽引絲的皮芯層結(jié)構(gòu)特征。F.Vollrath、Z.Z.Shao等利用TEM對(duì)Nephilia牽引絲的研究顯示，這兩種蜘蛛牽引絲截面內(nèi)存在著不均勻性，纖維的芯層含有微小的伸展?fàn)畹奈⒐?，這些微管可能對(duì)蜘蛛絲的力學(xué)性能有重要作用。六、蜘蛛絲纖維的開(kāi)發(fā)應(yīng)用蜘蛛絲纖維屬于蛋白質(zhì)纖維，具有許多其它纖維無(wú)法比擬的特性。所以，在很多領(lǐng)域都有廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。(1)紡織制品蜘蛛絲彈性好、柔軟，穿著舒適，是很好的紡織纖維。利用基因技術(shù)將綠色熒光蛋白質(zhì)與絲蛋白分子相融合生產(chǎn)出熒光絲，可與普通絲交織制成織物如服裝、圍巾、帽子等，在紫色、藍(lán)色燈光下會(huì)發(fā)出熒光圖案

24、，成為全球時(shí)裝展示會(huì)上最時(shí)尚的紡織面料。(2)軍事及民用防護(hù)領(lǐng)域由于蜘蛛絲具備強(qiáng)度高、彈性好、柔軟、質(zhì)輕、斷裂功大等優(yōu)良性能，可以加工成防彈背心和防彈衣，也可以用于制造坦克和飛機(jī)的裝甲，以及軍事建筑物的“防彈衣”等，還可以用于復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)改性等方面。此外，蜘蛛絲還可以加工成網(wǎng)具、輪胎、防護(hù)材料等。(3)航天航空領(lǐng)域蜘蛛絲的強(qiáng)度高，韌性大，有一定的熱穩(wěn)定性，可用于做降落傘布、降落傘索，這種降落傘重量輕、防纏繞、展開(kāi)力強(qiáng)大、抗風(fēng)性能佳，堅(jiān)牢耐用。蜘蛛絲還可用于織造太空服等高強(qiáng)度面料。(4)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域蜘蛛絲的優(yōu)越性還在于它是天然的蛋白質(zhì)纖維，與人體有很好的相容性。目前尚未發(fā)現(xiàn)人體對(duì)蜘蛛絲所含的蛋白質(zhì)有任何排異反應(yīng)，因而可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)制成傷口封閉材料和生理組織工程材料，如人工關(guān)節(jié)、韌帶、人類(lèi)使用的假肢、人造肌腱、組織修復(fù)、神經(jīng)外科及眼科等手術(shù)的