仿蜘蛛丝纤维
超强吸水的人造纤维——仿蛛丝纤维
般 的性 能。首先蜘蛛 丝很 细而强度却 很高 ，
它比人发还 要细而强度 比钢 丝还要 大 ：其次
它的柔韧性和 弹性都 很好 ，耐 冲击力强 ：再
有就是 无论 是在干燥状 态或是 潮湿状态 下都
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２— ８—
纺织装饰科技
２１ ００年第 ３期
色材 料。 ”德 国 Ｂ ｅ ｎ 大 学 生 物 工程 学 ｒ ｍｅ 家 Ａｎ ｒｗ ｒ ｎ指 出 ，这 一 技术 无疑 会 ｄ ｅ Ｍａｔ ｉ
珠 ，并 稳定 地 挂 在蜘 蛛 丝 上 ， 因而 产生 超
强 的水 收集 能力 。
仿 照蜘 蛛丝 这 种独 特 的结 构 ，研 究人
员 利 用 尼 龙 纤 维 等 材 料 制 造 出 了类 似 的 “ 水蜘 蛛 丝 ”。 实验 显 示 ，把 这种 新型 吸
着 许 多 由纳 米级 纤 维 构 成 的纺 锤 状 微 小 凸 起， 当空气 中的 水 分凝 结 到蜘 蛛丝 表 面 后 ， 会在 这 些微 小凸 起 地 方 汇集 形 成 大 滴 的露
为 ，这项 研 究 将 对 当前 的纤 维 材 料 本 身产
生 影 响。 他 介 绍 ，蜘 蛛 丝 有 ～ 种 特 性 ，就 是 不 被 任 何 材 料所 匹配 ，“ 果 我 们 能 了 如 解 到 怎样 去 匹配 这 个 特 性 ，我 们将 会 研 制 出一种 较 高 性 能并 具 有 广 泛 应 用 前 景 的绿
单 ， 非常 可靠 ， 又 任何 飞虫一旦 闯入蛛丝 网 ，
有很好 的性 能 ：蜘蛛丝 网还 有很好 的耐 低温
性能 ：由于蜘 蛛丝是 由蛋 白质 构成 ，是生物
就休想逃脱 成为蜘蛛 食物 的命 运 ，这是人们
新型纤维材料---蜘蛛丝
新型纤维材料——蜘蛛丝蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能。
蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝。
蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。
蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。
科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来。
早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线。
进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣。
科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能。
1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。
美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。
蜘蛛丝的结构性能与用途蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构。
蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能。
蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在。
结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β-折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在0.93～1.57nm之间。
非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成，分子多呈α-螺旋状结构。
神奇的“生物钢”——仿蜘蛛丝纤维
丝的初始模量、 应力 、 应变进行了测试 蜘蛛网
圆周丝的初始模量 明显高于 Ｎ ｌ ６ ｙ ｎ ，比高强力 ｏ
的芳香族聚酰胺纤维低 ，但圆周丝在蜘蛛丝中 不是强度最好的一种 。另外高强力 的芳香族聚 酰胺纤维的断裂伸长只有 ２５ 一 ％ ，而蜘蛛 ．％ ３ 丝是 ３ ％ 一 ０ ，因此才具有吸收庞大能量的 ６ ５％ 特性 。同样粗的钢丝和蜘蛛丝一起接受拉力实
的强度等机械性能， 从而显示了蜘蛛丝强度的优异性 ， 最后 简介 了蜘蛛丝的用途与发展前景 。
关键词 ： 生物 钢 ； 蜘蛛 丝 ； 结构 ； 能 ； 性 用途
１ 生物钢的起源
生物钢指羊奶钢和牛奶钢。１９ 年 ，美国 ９７
的高分子化合物。 蜘蛛丝的主要成分为蛋 白质 ，
和羊毛、 蚕丝的构造相似。 蚕丝也是 由各种氨基 酸所构成的蛋 白质纤维 ， 主要成分是丙氨酸、 甘 氨酸、 丝氨酸和酪氨酸等氨基酸所组成。 丝质材
牛进行转基因实验 ，让牛奶和羊奶的蛋 白基因 中含有 “ 黑寡妇” 蜘蛛丝的蛋 白基因。用这种纤 维制成的 ２ ５ｍ粗的绳子 ，足以让一架准备着 ．ｅ 陆的战斗机完全停下来。科学家给这种超强度 的物质取名叫“ 生物钢” 。 ．
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２ 蜘蛛丝的结构与性能
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２ １ 蜘蛛 丝 的结构 ．
蜘蛛丝属于蛋白质纤维 ，一般的蜘蛛丝网 包括 ３ 种类型的丝 ： 捕捉丝 （ 捕获猎物） 径向丝 、 （ 辐条丝） 和圆周丝。有的蜘蛛能生产 ８ 种类型 的丝 ， １ 图 和图 ２分别为不同形态的蜘蛛丝 ， 图 ３ 为加拿大特大蜘蛛网。 蜘蛛丝是 由一些 被称为 原纤的纤维 束组
加拿大 的一家 Ｎ ｘ 生技公司已宣布研发 ｅｉ ａ
蜘蛛丝的应用及合成
14.时刻监视建筑内外，保障社区安全。
15.在航天方面，闹高温，耐极寒。
16.航天服轻便舒适。 17.航天材料强度高，质量轻。 18.航天材料同样应具有红外探测及卫星遥感 技术。
方案分类
A. B. C. D. E. F. G.
轻便舒适。（16.17） 具有具有调节温度的作用，即冬暖夏凉。（4，5，6， 12） 红外探测功能。（8，9，14） 在极端条件下不影响性能。（7，15） 提供氧气。（7，12） 具有疏水抗压性能。（3，4） 特定条件下才能降解。（2）
8.蛛丝作战服具有红外探测、生化传感器、日夜视频相机等功能。 9.蛛丝作战服具有生物传感器的作用，可以探测士兵的心跳、血压等，相 当于一个时时刻刻在身边的私人医生。 10.在电子领域，仿蛛丝作为良好的生物半导体，用于计算机材料，更加轻 便。 11.在医疗方面，与人体有很好的兼容性，可作为很好的生物的材料。 12作为建筑材料，可以调节居室的温度、湿度、以及空气清新度。 13作为建筑材料，具有优良的抗震性能。
市场需求
医用纤维生产商Acordis特种纤维公司与Nexia生物技术公 司扩大了合作协议,以开发用于Nexia的蜘蛛丝生产BioSteel 纤维纺丝工艺。 由于其高性能(韧性、强度、轻)与生物降 解性的独特结合,蜘蛛丝一直受到科学家的推崇。Nexia一 直将BioSteel-M的开发重点放在医疗装置上,因其代表高价 值及广大的市场。 目前，据说生产这种仿蜘蛛丝的费用可降低到每公斤50 美元以下，而蚕丝的平均生产费用也要每公斤26-33美元。
微生物途径
将蜘蛛基因转入微生物中，通过微生物的分 裂繁殖来达到生产具有蜘蛛丝特性的纤维，该方法 成本低，生产效率高。如将产丝的蜘蛛基因植入细 菌中，产丝基因演变成独立的细菌不但降低了产丝 的成本，而且还会提高丝的质量。
天然蜘蛛丝仿生材料
天然蜘蛛丝仿生材料摘要采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域. 天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度( 约为钢铁的5 倍) 、优异弹性( 约为芳纶的10 倍) 和坚韧性( 断裂能为所有纤维中最高) ,为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景. 受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法. 本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展, 并提出了一些看法和思考。
1．天然蜘蛛丝结构、功能及应用天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料 , 属于一种生物弹性体纤维 , 它是自然界产生最好的结构和功能材料之一 . 表 1 列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能 , 通过比较可以发现 , 天然蜘蛛丝优良的综合性能 , 特别是其高比强度 ( 约为钢铁的 5 倍 ) 、优异弹性 ( 约为芳纶的 10 倍 ) 和坚韧性 ( 断裂能 180MJ /m3 为各材料中最高) 是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。
此外 , 天然蜘蛛丝还显示出特别的扭转形状记忆效应 , 当它被扭转到其它准平衡位置时 , 由于高阻尼效应 , 它几乎不振荡 , 并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到其初始的状态 , 从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆正是由于天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应及生物相容性好等特性 , 因此 , 它在航空航天 ( 如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料 ,宇航服装 ) 、军事 ( 如坦克装甲、防弹衣、降落伞 ) 、建筑 ( 如桥梁和高层建筑的结构材料 ) 、医学 ( 如人造关节、肌腱、韧带 ) 等领域表现出广阔的应用前景 . 其实 , 早在 l709 年就出现了人类利用天然蜘蛛丝的记载 , 而且在第二次世界大战时 , 天然蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮瞄准系统等光学装置的十字准线 . 天然蜘蛛丝已吸引了世界各国科学家的巨大兴趣和广泛关注。
科学家发明“超级纤维”媲美蛛丝
科学家发明“超级纤维”媲美蛛丝
佚名
【期刊名称】《非织造布》
【年(卷),期】2012(000)002
【摘要】蜘蛛丝的韧性超过现有所有合成纤维，素有“生物钢”的美誉，是新型材料的理想选择。
能否采用来源广泛的蚕丝蛋白织出可媲美蛛丝的“超级纤维”，成为全球研究界探索的方向，而复旦高分子科学系和先进材料实验室的生物大分子课题组就走在最前列。
他们不仅证明了蚕丝蛋白不输于蛛丝蛋白的力学结构性能，更通过完善再生蚕丝制备工艺，织出了力学性能高出天然蚕丝一倍的人工丝。
这一“动物丝仿生制备中的关键问题”项目研究昨天获自然科学奖一等奖。
【总页数】1页(P40-40)
【正文语种】中文
【中图分类】TS102.528
【相关文献】
1.蜘蛛丝与人造纤维的发明 [J], 平占斌
2.科学家开发出“超级木材”可媲美钢材 [J], ;
3.Aalto大学/VTT:可与塑料相媲美的纤维素与蛛丝混合材料 [J], 谭宇豪
4.科学家开发出超级木头可与钢材媲美 [J],
5.美科学家让转基因蚕吐出蛛丝纤维 [J],
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超级防弹衣材料有了，我国研制成功超强韧人造蜘蛛丝
超级防弹衣材料有了，我国研制成功超强韧人造蜘蛛丝
在自然界里，蜘蛛丝是一种神奇的材料，它不仅强度高而且韧性好，碰到猎物可以拉长数倍而不断裂，而且还能回弹到原来的长度。
因此有很多科学家梦想利用这一材料用来做防弹衣，可以刀枪不入。
如今这一梦想已经变为现实。
近日，我国科学家研制成功了超强韧人造蜘蛛丝。
南开大学刘遵峰教授团队在国际学术期刊《自然·通讯》杂志上发表论文，介绍了这一科研成果。
研制成功的人造蜘蛛丝抗拉强度高达895MPa，其抗拉强度已经达到高强度结构钢的水平，与天然蜘蛛丝相当。
还具有370 MJ m−3的高韧性和超高阻尼能力。
不但强度高，而且回弹慢，可以重复伸缩，迅速吸收冲击能量。
这种具备超强韧性能的人造蜘蛛丝具备巨大的军事应用潜力，可
以用作防弹材料，广泛应用于人体和装甲防护领域。
还可以用来做伞兵的降落伞伞绳、直升机机降绳、机降悬梯、攀登滑降绳等等。
民用领域也可以用来做登山绳、高层建筑逃生绳等等。
之前也有很多科学家也尝试过研制人造蜘蛛丝，已经通过蛋白纤维、超分子水凝胶纤维、碳纳米管复合纤维等各种方式成功地复制或是部分复制蜘蛛丝的机械性能。
但是其主要的技术路线都是基于蛋白质的，无法规模化生产。
此次刘遵峰团队另辟蹊径，采用聚丙烯酸和二氧化硅纳米颗粒交联制出有层级结构的水凝胶纤维，并通过掺杂二价离子和加捻来增强其强度，最后通过控制纤维芯和纤维鞘部分的水分蒸发速率完成材料的自组装。
这一技术路径不是基于蛋白质工程的，完全是化工合成，具备了大规模工业化生产的潜力。
有材有料丨受天然蜘蛛丝启发：这种纤维可以凭空取水，能力超强！
有材有料丨受天然蜘蛛丝启发：这种纤维可以凭空取水，能力超强！“有材有料”棉纺织技术新传媒纺织新材料专栏专栏简介：《棉纺织技术》期刊社立足纺织，围绕“技术”“信息”两个关键词，将发挥信息服务机构优势，围绕国家重大战略和行业需求，利用新媒体平台开辟纺织“有材有料”专栏，内容涉及新材料先进技术介绍、市场行情动态、领军人物要闻、前沿发展趋势等，增进行业对纺织新材料的了解，解决企业新材料应用方面的技术难关与困扰，助力纺织产业的绿色高质量发展。
可集水的仿蛛丝纤维淡水资源的短缺已成为制约全球社会和经济发展的主要因素。
据统计，海水资源占到了地球上所有水资源的96.54%，淡水资源仅占2.53%，而且只有0.36%的淡水资源能够被人类直接利用，如何获取更多的可利用淡水资源，是一个亟待解决的问题。
此前，国际化学领域期刊《材料化学学报》A刊报道了西南交通大学孟涛教授团队的研究成果——利用具有中空连续通道的仿蜘蛛丝微纤维进行高效集水，团队通过在仿蛛丝纤维内部构建中空结构，让纤维的集水性得到显著提升，研究发现，该仿生微纤维悬挂液滴体积是纺锤节体积的1663倍，集水能力数值远超出已有文献报道的数值。
丨来自蜘蛛丝纤维结构的启示目前，由于水污染和淡水资源缺乏等问题，水资源危机越来越受到广泛关注。
由于海水淡化和废水处理技术的适用性、简便性和成本效益等问题，使得一些地方无法使用这些技术获取淡水资源。
这些年，各领域的科学家们试图从大自然中获取灵感，研究仿生集水技术。
自然界中，大多数生物都拥有应对恶劣环境的独特本领，经过长期的自然选择，一些生物已经能够从雾气中获得水分供自身生存，这为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了灵感。
迄今为止，研究者们已经利用纳米布沙漠甲虫的集水机理、仙人掌的集水机理以及蜘蛛丝的表面集雾机理等，开发出了大量相应的仿生集水材料。
雨后的清晨或者潮湿的角落，人们常常可以发现蜘蛛网上悬挂着大量晶莹的液滴。
研究发现，实际上，蜘蛛丝有强大的集水功能，而其集水能力归因于一种独特的纤维结构，该结构由周期性纺锤节和关节构成，其中纺锤节由随机杂乱的纳米纤维组成，关节则由排列整齐的纳米纤维组成。
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•结构和性能
•蜘蛛丝蛋白的剖析 蜘蛛丝 蜘蛛丝蛋白的溶解和纺丝 •仿蜘蛛丝纤维的应用
蜘蛛丝的结构和性能
1，蜘蛛丝属于蛋白质纤维，一般蜘蛛丝包含捕 捉丝（捕获猎物），径向丝（辐条状）及圆周网 丝三种类型的丝（有的蜘蛛能产生八种类型的 丝）。捕捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而 径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶腹腺中合成。 蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白质 纤维，固化后的蜘蛛丝不溶于水并具有优良的性 质 2，蜘蛛丝有一些被称为原纤的纤维束组成。
和民用建筑等的结构材料和复合材料。 农业和食品方面；用做捕捞网具，代 替造成白色污染的包装塑料等
医疗和保健方面
防弹背心
防刺服 防割手套 防割不燃手套 及臂套
谢谢！
仿蜘蛛丝纤维
未来的生物钢
2013-8-1
中文名：仿蜘蛛丝纤维
简介
英文名：man-made spider fiber 别名：人造蜘蛛丝纤维
在自然界中，蜘蛛生产着最细的丝线， 并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获 猎物，赖以生存，繁衍后代。科学家 们开始注意到蜘蛛丝非同一般的性能。
性能
（1 ）蜘蛛丝很细而强度却很高，它比人发 还细，而强度却比钢丝还要大。 （2）它的弹性和柔韧性都很好，耐冲击力 强。 （3）它无论在干燥状态还是在潮湿状态下 都有很好的性能。 （4）蜘蛛丝有很好的耐低温性能。 （5）蜘蛛丝是有蛋白质构成的，是生物可 降解的，因而对环境是无害的。
黑寡妇
蜘蛛丝性能
4，蜘蛛丝 弹性、伸长、韧性及抗断裂性好 5，质轻、耐紫外线、比重 6，初始模量大、断裂功大、韧性强的特性， 是加工特种纺织品的首选原料。
蜘蛛丝蛋白的剖析和合成
生产蜘蛛丝蛋白的三 种途径 1，利用动物 （奶牛或奶羊）来 生产 2，利用微生物 （细菌或酵母菌） 来生产 3，利用植物来 生产
圃蜘园蛛 圃蜘园蛛 圃蜘园蛛
蜘蛛丝的分子特性
从电子显微镜下观察蜘蛛丝， 可发现，蜘蛛丝有点类似悬 吊桥梁的大钢索，中间有一 根主要的钢索，而周围又以 其他较小的钢索缠绕着
电 子 显 微 镜 下 蜘 蛛 丝 的 结 构
外观上又细又柔软的，蜘蛛丝之所以 具有极好的弹性和强度，其原因在于： 1.不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性； 2.规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。
第一种途径
将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植到山羊， 山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白 的蛋白质 魁北克 加拿大Nexia生物技术公司宣布已经获得成 功，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝 蛋白的蛋白质， 用这种蛋白质生产的纤维 取名生物钢，其强度比芳纶大3.5倍。
第二种途径
利用卫生微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方 法是将能生产蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生 物，使该种微生物在繁殖过程中大量生产类 似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。 如，美国杜邦公司通过基因移植技术能合成 出高分子量的类似于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白 质
第三种途径
利用植物来生产蜘蛛丝蛋白。这种方法是 将能生产蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植 物，如花生、烟草和土豆等作物，使这些 植物能大量生产类似与蜘蛛丝蛋白的蛋白 质，然后将蛋白质提取出来作为生产仿蜘 蛛丝的原料 如，德国植物遗传与栽培研究所通过合成 基因移植给烟草和土豆，所培植出的转基 因烟草和土豆含有可观数量的类似于蜘蛛 丝蛋白的蛋白质
仿蜘蛛丝 的关键技术
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蜘蛛丝蛋白 的制备
纺丝过程 的仿生
利用转基因技术，将蜘蛛的相 关基因转移到细菌、植物体、 哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞 中， 生成蜘蛛丝蛋白质，并进 行提纯
蜘蛛所用的“纺丝液” 是水作溶剂
仿蜘蛛丝纤维的应用
军事方面；防弹衣，坦克和飞机的 装甲 航空航天方面；宇航服，复合材料 建筑方面；用于制造桥梁、高层建筑
1． 蜘蛛丝的结构经扫描电镜观 测，蜘蛛丝内部结构透明、无孔 隙。 2，蜘蛛丝横截面接近圆形 。蜘 蛛丝的纵向形态是丝中央有一道 凹形痕迹，平均直径为6．9 m， 蜘蛛丝在水中会发生截面膨胀， 径向收缩。
蜘蛛丝性能
1，强度大：一般的蜘蛛丝强度比钢丝大
5倍，而美国南部有种“黑寡妇” 蜘蛛， 它的强度比钢丝大10倍。 2，耐低温：蜘蛛丝在-40摄氏度时仍能保 持其弹性，只有在更低的温度下才变硬， 在低温下使用，这种纤维特别明显是 3，可降解无污染：蜘蛛丝是由蛋白质组 成