蜘蛛丝的化学组成与结构初探
高性能纤维——蜘蛛丝
高性能纤维——蜘蛛丝专业：纺织工程姓名:赵树超学号：200920301019摘要：蜘蛛丝具有非常优异的性能特征，如其具有综合的钢性、强度和弹性及生物可降解性等，这些特点使得蜘蛛丝在许多领域具有广阔的应用前景。
本文主要分析了蜘蛛丝的结构、性能、分子结构与性能的关系、制备及应用。
关键词：蜘蛛丝；结构；性能；机理；制备；应用前言蜘蛛丝属于蛋白质纤维，是一种天然高分子纤维和生物材料。
蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、耐紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的，尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原料。
蜘蛛丝纤维由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。
其特殊的结构和性能，在纺织行业、医疗卫生和军事领域等方面产生了极其重要的影响。
蜘蛛丝滑爽柔软，光汗优雅。
但是数量少。
目前国内外许多科学家已通过基因工程，将蜘蛛的基因移植到蚕体及其它植物和动物等体内，从而使蜘蛛丝蛋白质纤维实现工业化生产的梦想成为现实。
相信，随着科学技术的发展，蜘蛛丝纤维将广泛用于纺织服装业等多个领域，成为新一代高性能生物材料。
1蜘蛛丝的结构和组成1.1 蜘蛛丝纤维的组成蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，基本组成单元为氨基酸。
蜘蛛丝含l7种左右氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。
蜘蛛丝中较大的7种氨基酸含量占其总量的90％，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸。
1.2 蜘蛛丝纤维的微观结构蜘蛛丝由前纺器纺区、中纺器纺区、后纺器纺区三组喷嘴喷射形成，分子结构是由原纤丝组成，而原纤丝又由120nm微原纤组成，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。
蜘蛛丝横截面接近圆形，直径为6.9μm，是单丝，由两组丝腺组成，中间没有丝胶，没有覆盖于表面的水溶性物质。
蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹缝痕迹，在水中有大的溶胀性，截面会发生膨胀，径向则会发生明显的收缩。
蜘蛛丝
蜘蛛丝纤维之我见高（101）张春娟 1008093006摘要：蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料，迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。
人类一直梦想着利用蜘蛛丝的奇特性能来造福社会大众。
关键词：蜘蛛丝,性能,应用节肢动物门(Arthropoda)蛛形纲(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有种的通称。
除南极洲以外，全世界分布［1］。
蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝，它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力也很强。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能，是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。
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。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。
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,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种纤维上十分困难。
人们开始考虑,如果能够用人工的方法大量而经济地生产这种纤维,必将对纤维和纺织业的发展产生深远的影响。
目前美国、加拿大、德国和英国等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究,并已取得相当的进展,对蜘蛛丝的研究,已成为当今纤维界的热门课题。
1 蜘蛛丝的形成原理及其性能1.1 形成原理在显微镜下，我们看到丝从蜘蛛的分泌出来，蜘蛛的腹腔里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。
结网的时候，蜘蛛便将这些丝浆喷出去。
丝浆一遇到空气，就凝结，且富有粘性和惊人的强度。
每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍，弹性也比人造纤维好得多。
比如，蜘蛛网可以延伸到原长的10倍，而尼龙一旦延展到原长的20％就会发生断裂无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。
而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质，粘丝是不粘油的。
但是，一般飞虫是没有这层油质的，所以，蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛［2］。
1.2 主要成分蜘蛛丝的主要化学成分是甘胺酸（NH2-CH2-COOH）、丙胺酸（NH2-CH(CH3)-COOH）及小部分的丝胺酸（NH2-CH(CH2OH)-COOH），加上其它胺基酸单体蛋白质分子链构成。
蜘蛛丝的结构性能与研究现状
酸等 ! 并且不能被大部分蛋白酶分解 ! 在加热时 ! 能微 溶于乙醇中 " 蜘蛛丝最吸引人的地 方 是 具 有 优 异 的 力 学 性 能 ! 即高强度 # 高弹性 # 高柔韧性 # 高断裂能 " 由表 # 可知 ! 大腹圆蜘蛛的牵引丝 # 框丝和外层包卵丝的断裂强度 均比蚕丝丝素的大 ! 断裂伸长率是丝素的 #.$ 倍 ! 断裂 比功也比丝素大得多 " 蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢 丝和用于制造防弹衣的 +/012- ! 但是其断裂伸长率是钢 丝的 $.!& 倍 ! 是 +1/012- 的 !&.*& 倍 ! 特别是断裂功比 钢丝和 +/012- 大得多 "
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四川丝绸
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蜘蛛丝的结构性能与研究现状
刘庆生 西安工程科技学院 段亚峰 绍兴文理学院
摘要 $结合蜘蛛丝研究的历史与研究现状 ! 阐述了中国大腹圆蜘蛛牵引丝 % 框丝及包卵丝等 天然蜘蛛丝的聚集态结构和形态结构 ! 对比分析了蜘蛛丝的物理 % 力学及机械性能 ! 介绍了利用 基因工程技术人工生产蜘蛛丝的主要方法和途径 # 关键词 $ 蜘蛛丝 结构 性能 基因工程
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化学产品设计--蜘蛛丝的合成
在医学医疗方面
蜘蛛丝的优越性还在于它是蛋白质纤维，与人体具 有“兼容性”。通过转基因技术得到具有蜘蛛丝特点的“生 物钢”制成人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱 等产品，具有韧性好、可降解等特性。蜘蛛丝在医学和医 疗方面有广泛用途。
在建筑方面
蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性， 在极高温度下才会分解，因此蜘蛛丝可用于结构材 料、复合材料等高强度材料。在建筑方面，蜘蛛丝 可用做结构材料和复合材料，代替混凝土中的钢筋， 应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻 建筑物自身的重量，还可以抗震。
最终方案
经比较最终选定方案A+E：即将蜘蛛丝基 因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,通 过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝蛋白质,再把 这种蛋白质从微孔中挤出,就可得到极细的丝 线。再利用静电仿丝技术对蜘蛛丝性能进行改 善使其更加满足工业生产需求。
其半晶体结构可以发展生物半导体技术，其稳定的 室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物 计算机的优良材料。
研究现状及问题
• 然而蜘蛛种类繁多，不同种类的蜘蛛丝的组成差异 很大，而同一种蜘蛛不同丝腺中的液状丝的氨基酸 组成也有很大差异。而我们对蜘蛛产生的各种丝的 组成和结构仅有有限的信息和数据。
三种类型蜘蛛丝的结构及生物学功能
三种类型蜘蛛丝的结构及生物学功能蒋平沈丽杨孔冉丹王郭聪!（四川大学生命科学学院成都610064）摘要：利用付里叶变换红外光谱仪（FTIR ）对棒络新妇（Nephila clawata ）、悦目金蛛（Argiope amoena ）的大壶状腺丝（拖丝）、悦目金蛛的捕丝（粘性螺旋丝）和卵袋丝这3种不同类型蜘蛛丝的二级结构进行了测试研究。
结果表明：蜘蛛丝同时包含无规则卷曲、!-螺旋和"-折叠构象；对这3种蛛丝的红外光谱进行比较表明同一蜘蛛的不同类型蛛丝所含的这3种二级结构的比例不同，这种不同组成的二级结构就赋予了蜘蛛丝不同的特性，这种特性又与其不同的功能相适应。
此外，还用扫描电镜（SEM ）和光学显微镜对悦目金蛛和小悦目金蛛（A.minuta ）的拖丝和捕丝做了形态结构观察。
蜘蛛丝这种天然动物蛋白纤维所具有的特殊的形态结构、蛋白质二级结构与其特殊的性能和生物学功能是高度一致的。
关键词：大壶状腺丝；捕丝；卵袋丝；二级结构；生物学功能中图分类号：@954文献标识码：A 文章编号：0250-3263（2003）05-10-05!通讯联系人；第一作者介绍蒋平，男，26岁，硕士研究生；研究方向：动物生态及行为；E-maiI ：jp412@ 。
收稿日期：2002-12-01，修回日期：2003-06-30Structure and Biological Function of Three Types of Spider SilkJIANG PingSHEN LiYANG KongRAN DanWANG JieGUO Cong（College of Life Sciences ，Sichuan Uniwersity ，Chengdu 610064，China ）Abstract ：We tested the naturaI major ampuIIate siIk of two orb-web spiders ，Nephila clawata andArgiope amoena ，the sticky capture siIk（adhesive siIk of spiraI ）of A.amoena and the cocoon siIk of A.amoena with Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR ）.Major conformationaI sensitive regions were assigned in the spectra.Spider siIk showed secondary configuration ："-sheet ，random coiI and /or !-heIix.The comparison of the FTIR spectra of these four sampIes of spider siIk demon-strates that the proportions of these three types of conformation differ in different types of siIk from the same spider ，contributing to the different properties and functions of siIk produced by the same species.In addition ，observation of the dragIines of A.amoena by Scanning EIectronic Microscope （SEM ）reveaIed that the dragIine consists of doubIe fiIaments a few #m in diameter.Observation of the sticky capture siIk of A.amoena by opticaI microscopy demonstrated that capture siIk aIso con-sists of two core threads covered by viscid wet dropIets.An argument can be made that these confi-gurations of spider siIk are superbIy matched to their particuIar properties and bioIogicaI functions.Key words ：Major ampuIIate siIk ；Capture siIk ；Cocoon siIk ；Secondary configuration ；BioIogicaIfunctions·01·动物学杂志Chinese JournaI of ZooIogy 200338（5）蜘蛛是一个庞大的家族，种类繁多，不同的蜘蛛抽出不同的丝，织不同的网，其生活策略也不尽相同。
蜘蛛网成型的原理
蜘蛛网成型的原理
蜘蛛网成型的原理主要涉及到蜘蛛丝的特殊结构和蜘蛛体内的生物化学过程。
首先，蜘蛛体内有专门的器官用于产生丝腺。
蜘蛛丝是由腺体分泌的，腺体位于蜘蛛体内不同的部位，可以产生不同类型的丝。
当蜘蛛需要制作蛛网时，它会控制自身的肌肉来调整丝的张力和长度。
一旦蜘蛛决定开始制作蛛网，它会将前腹中的腺体与蛛丝接触，将腺体中的液体推出。
蜘蛛丝是由腺体分泌的一种由蛋白质组成的液体。
当液体与空气接触时，它会迅速固化，形成实质上是无数个纳米级蛛丝的结构。
这些纳米级蛛丝相互缠绕、交汇和交错，形成了蜘蛛网的基本结构。
蛛丝之间的结构非常微妙，通常由多个螺旋形结构构成。
这种螺旋形结构给予蜘蛛网很强的柔韧性和韧度，使得它可以在捕捉猎物时不断受到外力冲击的情况下保持稳定。
此外，蜘蛛网的结构还具有与环境相适应的特点。
蜘蛛会根据自己所处的环境条件和猎物类型，调整丝的粘性和强度，以更好地捕捉猎物。
总的来说，蜘蛛网成型的原理主要涉及到蜘蛛体内特殊丝腺的分泌和蜘蛛丝的固化过程，以及蛛丝之间的微妙结构。
这些特点使得蜘蛛能够制作出适应不同环境
和猎物的高效捕食工具。
蛛丝探秘
蜘蛛并不是昆虫，在动物分类上，蜘蛛属于节肢动物门、蛛形纲，和蝎子是同族兄弟。
蜘蛛和蚕一样，是自然界天生的纺织能手。
不过蚕和蜘蛛吐丝的目的不同：蚕吐丝是为了结茧，那是保护它们的“房子”，而蜘蛛吐丝是为了结网捕获猎物。
由于猎物通常会疯狂地挣扎，所以蜘蛛丝要有很高的强度、韧性和黏性，这决定了蜘蛛丝要比蚕丝结实得多。
如此结实的蜘蛛丝是怎样生成的？它能否被人们利用？蜘蛛丝是蜘蛛体内的代谢产物，主要由氨基酸组成，其粘着物质中含有丝氨酸、谷氨酸、赖氨酸、脯氨酸等多种氨基酸，这些低分子化合物可使蜘蛛丝的水分不易蒸发，维持一定的黏性。
蜘蛛丝由丝腺分泌时是液体的，通过尾部的纺器排出体外后凝固成丝。
分泌蜘蛛丝的腺体构造十分复杂，一般有大壶状腺、小壶状腺、葡萄状腺、聚状腺、鞭状腺、管状腺等。
不同丝腺分泌的蜘蛛丝作用不同。
例如，壶状腺分泌的主要是曳丝、辐射状丝及骨架丝。
曳丝是蜘蛛的“保命绳索”，避免蜘蛛突奥秘世界牢固的蜘蛛丝然坠落时直接掉落在地；辐射状丝及骨架丝用于承受圆网上的张力，尤其是猎物撞上网的时候。
因此，它们的优点是不易断裂，但缺点是延展性较差。
雌蛛产卵时会先用蜘蛛丝制作一个卵囊，将卵产在卵囊中，管状腺的主要功能就是制作卵囊。
为避免卵被其他动物吃掉，管状腺丝在所有蜘蛛丝中具有最高的硬度。
1.造巢不同蜘蛛会造不同类型的巢。
漏斗网蜘蛛会造一种漏斗形的巢，斗口朝上，与网相连。
水蛛会用丝在水下造巢，用来隐蔽或产卵。
2.求偶蜘蛛丝也是蜘蛛求爱、传情之丝。
平时一只蜘蛛便是一网之主，排他性很强，其他蜘蛛不得涉足。
但当雌蛛进入成熟期，便欢迎雄蛛到自己的网上来。
3.包卵雌蛛排卵时，先用丝织一条“产褥”，然后把卵排在“产褥”上，再用丝包上，形成卵囊。
可见，蜘蛛丝在延续后代上也起着重要作用。
4.飞航体形很小的蜘蛛有飞航的习性，时常附在丝上随风漂荡，过着游猎的生活。
在远离陆地400多千米的轮船上，有人曾观察到飞航的蜘蛛在桅杆上结网。
5.安全带蜘蛛在树枝间或屋檐下结网，也算是“高空作业”，但不用担心，蜘蛛会拉一根曳丝做为“安全带”。
蜘蛛丝
蜘蛛絲是一種奈米級微晶體的增強複合 材料，佔纖維總質量的10%左右。是分 散在蜘蛛絲無定形蛋白質中的增強填料 由於蜘蛛絲的晶粒(grain)很小，以致當 絲在外界拉力作用下，隨著似橡膠的無 定形區域的取向，蜘蛛絲晶體取向度也 隨之增加。
當纖維拉伸為 10%時，纖維 結晶度不變， 結晶取向增加。 橫向晶體尺寸 減小。
PA6 (Polyamide 6, 聚醯胺6) mp 215-220°
Kevlar
此種纖維成份是芳香族聚醯胺 （Aromatic polyamide），Kevlar的化學 構造為聚對苯二甲酸對苯醯胺（po1y pphenylene terephthalamide，PPTA）是 由對苯二胺（p-phenylene diamine）與 對苯二醯氯（Telephthalloyl chloride） 脫鹽酸反應聚合而成。其單位質量的強 度是鋼絲的5倍。
凝膠擠出法製備多孔膜
將超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）溶 解在揮發溶劑中，連續擠出，然後經一 個熱可逆凝膠/結晶過程，使其成為一 種濕潤的凝膠膜，蒸除溶劑使膜乾燥。 由於已形成的骨架結構限制了凝膠的收 縮，在乾燥過程中產生微孔，經雙軸拉 伸達到最大空隙率而不破壞完整的多孔 結構。
與其它工程塑料相比，超高分子量聚乙 烯（UHMW-PE）具有表面硬度和熱變 形溫度低、彎曲強度以及蠕變性能較差 等缺點。這是由於超高分子量聚乙烯（ UHMW-PE）的分子結構和分子聚集形 態造成的，可通過填充和交聯的方法加 以改善。
由於超高分子量聚乙烯（UHMW-PE） 熔融狀態的粘度高達108Pa*s，流動性 極差，其熔體指數幾乎為零，所以很難 用一般的機械加工方法進行加工。
凝膠紡絲