仿蜘蛛丝纤维
三种蜘蛛丝蛋白基因结构及仿生蛛丝的性能研究
三种蜘蛛丝蛋白基因结构及仿生蛛丝的性能研究摘要：蜘蛛丝是一种自然纤维材料，具有出色的力学性能和生物相容性。
在过去几十年中，蜘蛛丝研究的发展引起了越来越多工程学及生命学领域的注意。
因此，本文将结合三种蜘蛛丝蛋白基因的结构及仿生蛛丝的性能展开研究探讨。
引言：蜘蛛丝是一种生物材料，其功效是在自然演化过程中形成的，其力学，生物相容性和可纺性是众所周知。
近年来，仿生学研究也向蜘蛛丝方向聚焦。
许多科学家利用生物技术，开发出新型的人造蜘蛛丝文件，增强材料性能是其研究热点。
在这篇文章中，我们就来介绍三种蜘蛛丝蛋白基因的结构及仿生蛛丝的性能的研究情况。
正文：1. 常见的蜘蛛丝蛋白基因类型现阶段对蜘蛛用来构造蛛丝的基因综合了多个蛋白质。
来自蜘蛛腺体中的蜘蛛肌提供能量来产生拉伸力，而蛛丝的加工和变形则由不同类型的蛋白质来完成。
这三种基因分别为MaSp1，MaSp2和AcSp1，以下分别介绍：(1) MaSp1蛋白质MaSp1是蜘蛛基因组中最长的蛋白质之一，约有600至800个氨基酸残留。
MaSp1包含6个与泛素相似的重复序列，其各自长度大概为120至135个氨基酸。
(2) MaSp2蛋白质MaSp2是一种较短的蛋白质，长度大约为200个氨基酸。
MaSp2与MaSp1不同，在其氨末端和羧末端都有富含谷氨酸和精氨酸的序列，成为一种反复出现的单元。
此外，它还包括两个直接重复序列，并伸展到N 端和 C 端。
(3) AcSp1蛋白质AcSp1是一种不同于MaSp1和MaSp2的蛋白质。
AcSp1蛋白质的长度大约在110 ~ 140个氨基酸之间。
相比于MaSp蛋白，AcSp1存在着更多的极性和带电氨基酸，几乎没有互相重叠的序列，这可能对Fib X（Fib发生素X，是造成蜘蛛蛛丝固化的酶）的发生和Nox（NADPH氧化酶）的抑制具有重要作用。
2. 蛛丝纤维的力学性能由于蜘蛛丝是迄今为止地球上发现的最强的天然纤维，因此从它身上吸取技能值是非FAQ的。
AMSilk:首例人工合成的蜘蛛丝纤维
AMSilk：首例人工合成的蜘蛛丝纤维白小美【期刊名称】《国际纺织导报》【年(卷),期】2013(041)009【总页数】1页(P16)【作者】白小美【作者单位】【正文语种】中文2013年3月11日，德国AMSilk公司在新闻发布会上推出了一种完全由重组丝蛋白制成的生物钢仿蜘蛛丝纤维。
纤维断裂前的动能测试表明生物钢仿蜘蛛丝纤维的韧性与天然的蜘蛛丝纤维相似。
仿蜘蛛丝纤维原丝手感十分光滑，有很舒适的触感和丝绸般的光泽。
这种纤维外观亮白，可通过纺织工业中常用技术进行染色。
利用生物钢仿蜘蛛丝纤维可制得高性能的产业用纺织品、体育用品、医用纺织品，以及其他支撑纺织物和伤口覆盖用外科手术材料。
AMSilk生物钢仿蜘蛛丝纤维采用批量纺丝制得。
生物钢仿蜘蛛丝纤维的生产是基于德国拜罗伊德大学Thomas Scheibel教授的发明和AMSilk工程师的技术研发。
AMSilk公司总监Lin Römer解释说，在所有的仿蜘蛛丝应用中，能纺出一种可行的商业纤维一直是最具挑战的技术，但利用目前的加工方法，AMSilk公司已经可以商业化生产仿蜘蛛丝纤维。
下一步，AMSilk公司将对纤维的发展、原材料的生产规模及新实验厂的纺丝技术进行进一步优化。
为适应纤维行业的发展，AMSilk 公司正在扩张原材料的生产以支持其在多个领域的应用发展。
AMSilk公司正追求在仿蜘蛛丝这一平台上生产更广范围的产品，包括涂层植入体、薄膜、非织造布、珠丝，以及纤维。
AMSilk公司成立于2008年，坐落于慕尼黑附近的生物技术创新及创业者中心(IZB)。
AMSilk公司的投资方是MIG基金和慕尼黑新技术公司。
项目部分基金来自于德国联邦教育部门和巴伐利亚经济事务部、基础建设部、运输部和技术部，由PTJ和VDI进行项目管理。
AMSilk是AMSilk公司在欧盟和美国注册的商标。
Biosteel和Spidersilk是在欧盟注册的商标，并在美国得到商业应用。
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
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。
纤维之星——人造蜘蛛丝
纤维之星——人造蜘蛛丝
王志祥
【期刊名称】《科技信息》
【年(卷),期】1997(000)003
【摘要】小小的蜘蛛用体液抽出晶莹的长丝,编织一张张圆网,捕捉虫蛾为食物。
人类从蜘蛛丝的突出优点中得到启示,正在努力实现人造蜘蛛丝的梦想。
在这一领域中探寻的是美国康奈尔大学的应用生命研究所所长詹林斯教授。
天然蜘蛛丝的直径为习微米左右,其单位截面积的牵引强度相当于钢的5倍。
蜘蛛丝还具有卓越的防水和伸缩功能。
詹林斯教授认为,如果制造出一种具有天然蜘蛛丝特点的人造蜘蛛丝,那么这种丝就具有广泛
【总页数】1页(P9-9)
【作者】王志祥
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TS102
【相关文献】
1.蜘蛛丝与人造纤维的发明 [J], 平占斌
2.蜘蛛丝蛋白的人工合成及人造蜘蛛丝 [J], 许箐;潘志娟
3.蜘蛛丝可用于制造人造皮肤还可作为人造韧带使用 [J],
4.人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的研究进展 [J], 王松立;王美林;周湘;刘遵峰
5.南开大学研获超强韧人造蜘蛛丝 [J], 钱伯章
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天然蜘蛛丝仿生材料
Jonathan A. Kluge, et al ,Trends in biotechnology, 26(2010), pp. 244-251 Sung-won Ha, Alan E. Tonelli, and Samuel M. Hudson, Biomacromolecules, 6(2005), pp. 1722-1731 Lazaris A, et al. Science, 95(2002), pp. 472-476Biblioteka 1.1 天然蜘蛛丝组成与结构
通过研究人员的结果分析，蜘蛛丝的蛋白结构中具有结晶及非结晶结构，其中 紧密的结晶β折叠(由氢键相连)被松散的非结晶次级结构所连结，前者增加了蜘 蛛丝的物理强度及硬度，后者增加了蜘蛛丝的延展性。
Sinan Keten, Zhiping Xu, et al, Nature Materials,9,359–367 (2010)
Heim M., Keerl D. Scheibel T., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48(20), 3584-3596
2.1 蛋白基因仿生生物表达法
在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上， 通过构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因，然后采用生 物工程信息技术手段，将这些蛋白基因寄托于某种生物 载体（微生物、植物、 哺乳动物、家蚕等）进行表达并 生产，从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋 白质原料，然后将蛋白质原料经过特殊的纺丝程序，放 出人工蜘蛛丝。
Heat Filtration
Protein
Prince J.T. et al, Biochemistry, 1995, 34(34): 10879-10885;
Spider silk
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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。
目前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。
一、蜘蛛丝的特点
三、蜘蛛丝的获取
• 在某些哺乳动物如山羊、奶牛等动物体内注入 量的重组蜘蛛丝蛋白，进而通过纺丝工艺制成纤维。 蜘蛛基因之后，从所产的乳液中可提取一种特 殊的蛋白质，这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可 用来生产蜘蛛丝纤维。
• 植物途径：将蜘蛛丝基因移植入植物，培育
出能够产生丝蛋白的转基因植物。该方法是将 蜘蛛体内丝蛋白基因注入土豆和烟草等植物中， 用所得到的植物蛋白质进行 以使这些植物在它们的组织中制造大量的丝蛋 纺丝，可制织具有超强韧性的 工程材料及能自行分解的 白，通过植物大面积的种植，获取丝蛋白。、
非常适合防弹 衣的制造；也 可以用于制造 坦克和飞机的 装甲，以及军 事建筑物的 “防弹衣”等。
医疗及组织研究领域
可制成伤口封闭材料和生理组 织工程材料，如韧带、假肢、 人造肌腱、组织修复等手术中 的超细伤口缝线等产品。
四、蜘蛛丝的应用前景
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍。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。 • 据科学家研究试验，一束由蜘蛛丝组成的绳子比同样粗 细的不锈钢钢筋还要坚强有力。它能够承受比钢筋还多 5倍的重量而不会被折断。蜘蛛丝非常富有弹性，直径 只有万分之一毫米的蜘蛛丝，可以伸长两倍以上才会拉 断。
化学织物，减少了对环境的 污染，成本可能还要低廉。
四、蜘蛛丝的应用前景
可用于做降落 伞布、降落伞 索这种降落伞 重量轻、展开 力强大、抗风 性能佳，坚牢 耐用。
航 天 航 空 领 域
强度高 韧性大 一定的热稳定
弹性好 质地柔软 良好透气性
天然的蛋白质纤维 与人体有良好的相容性
军 事 防 护 领 域
• 一：蜘蛛丝细且强度高。它比人发还要细，而强度比钢丝 还要大。 • 二：蜘蛛丝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。 • 三：蜘蛛丝网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。 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。
二、蜘蛛丝的形成与结构
首先构筑放射状骨架线 ——纵丝
接着以逆时针的方向 织造螺旋状丝线 ——横丝
仔细观察，就会发现 横丝上有水珠似的凸起 ——黏珠
加拿大研究人员，利用转基因技术 把蜘蛛丝牵引丝基因转移到山羊 乳腺细胞中，从山羊的乳液提取出 类似蜘蛛丝的可溶性蛋白生产高性能 蜘蛛是独行动物，具有相互蚕食的习性，而且蜘蛛的产丝量很少。因此， 蛋白纤维。实验证明此种纤维 • 动物途径： 材料强度比钢材更高且弹性很好。 要获得具有商业用途的低成本蜘蛛丝，惟有通过基因工程途径，先获得大