两种不同功能蜘蛛丝的物理化学结构表征与力学性能
蜘蛛丝的研究进展及应用
收稿日期:20041209作者简介:袁小红(1981),女,陕西省人。
西安工程科技学院纺织与材料学院03级研究生,专攻纺织材料与纺织品设计专业。
产品开发蜘蛛丝的研究进展及应用袁小红(西安工程科技学院,西安 710048)摘 要:介绍了蜘蛛丝的概况及研究历史,概述了蜘蛛丝的物理、化学及机械方面的性能,综述了国内外利用生物技术人工生产蜘蛛丝研究的状况及进展,同时也分析了蜘蛛丝在纺织制衣、军事、医疗、高强度材料等方面的应用。
关键词:蜘蛛丝;性能;人工生产;应用中图分类号:TS1021512 文献标识码:B 文章编号:10023348(2005)05003003 随着科学技术的发展,人们对于高强度、高韧性纤维的研究也越来越深入,无论从科学角度还是从使用角度来看,探索高强度、高韧性纤维材料的极限,检测影响材料兼具强度和韧性的因素都是很有意义的。
蜘蛛丝是一种特殊的蛋白纤维,是天然的高分子纤维和生物材料。
它具有特殊的机械(力学)性能(如很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能等等),以及比重小、较耐紫外线、生物可降解等优点,其优异的综合性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。
蜘蛛丝以其优良的性能引起了世界各国科学家的兴趣和关注。
近年来美国、加拿大以及欧洲一些大学和实验室运用生物学、遗传学、高分子技术等知识对蜘蛛丝进行了全面研究,利用基因和蛋白质测定技术揭开了蜘蛛丝的奥秘,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。
1 蜘蛛丝的概况及研究历史蜘蛛和蚕一样,都属于节肢动物,但蚕是六条腿的昆虫幼体,而蜘蛛是八条腿的蛛形纲成虫。
蚕丝的功能是形成保护性的蚕茧来包裹着幼虫以利于它继续成长,而蜘蛛丝的功能是提供支撑作用。
因此,它比蚕丝更结实,并且可长达一英里。
蜘蛛的种类多得惊人,可能有7万多种。
对于蜘蛛的研究,报道最多的是对金黄色圆网蜘蛛、十字圆蛛和大腹圆蛛丝的研究。
人们所见的蜘蛛并非由一种蜘蛛丝组成,而是由几种分别来自体内7个不同腺体的丝组成,其氨基酸组成不同,性能不同,用途也不同。
深入探索蜘蛛丝的力学性能
深入探索蜘蛛丝的力学性能刘毅1, 2 邵正中1 F. V ollrath 21教育部聚合物分子工程重点实验室及高分子科学系，复旦大学，上海2004332 动物系, 牛津大学, 牛津 OX1 3PS, 英国关键词：仿生，动物丝蛋白，超收缩，取向在自然环境下，蜘蛛产生的主腺体丝(major ampullate silk)的综合力学性能要优于其它天然纤维和大部分合成纤维，并且主要取决于蜘蛛的纺丝过程。
众多的参量如丝蛋白原液的化学组成（与蜘蛛的食物有关）及其在腺体和纺器内的流动状况（与蜘蛛的生理状况有关）、纺丝速度、温度和湿度等均强烈地影响着丝蛋白分子链的排列和聚集态结构，进而决定了丝纤维的性能1。
超收缩现象是蜘蛛主腺体丝具有的独特性能之一：当将松驰的蜘蛛丝放入水中，它会纵向缩短2。
收缩后的蜘蛛丝表现出类似橡胶的性能3，但若重新拉伸回到原来的长度，其性能基本恢复4。
一系列分析表明5, 6，超收缩实际上是蜘蛛丝纤维内部具有取向的非晶区（第三相态）中的分子链解取向造成的；当受到再次拉伸，这些解取向的分子链重新排列，丝纤维即可恢复到超收缩前的性能。
因此，蜘蛛丝可被视作具有一定的分子记忆功能。
由于同种蜘蛛丝蛋白的氨基酸序列相同，我们认为，通常所观察到的蜘蛛（不同个体）丝在性能上的巨大差异，很可能是蛋白质分子链在纺丝过程中形成不同程度的分子链取向造成的。
为证明蜘蛛丝中的分子链取向排列对其力学性能具有决定性的作用，我们着重研究了不同的纺丝条件下，蜘蛛丝的力学性能与其超收缩能力之间的关系。
在一定的温度（25±2℃）和湿度（45±5% RH ）下，采用强迫抽丝的方法得到测试所用的蜘蛛（Nephila edulis ）单丝。
为了得到具有不同结构和性能的蜘蛛丝，我们分别选用了如下条件：1. 将丝在空气中或水中纺出7；2. 有或没有聚四氟乙烯小棒近距离导引纺丝；3. 纺丝的速度分别为2、10、20、100和200 mm/s 。
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。
蜘蛛丝的结构与机械性能研究进展
蜘蛛丝的结构与机械性能研究进展
蒋平;肖永红;吕太勇;廖信军
【期刊名称】《井冈山大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(031)004
【摘要】蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、
An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性.为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述.
【总页数】7页(P37-43)
【作者】蒋平;肖永红;吕太勇;廖信军
【作者单位】井冈山大学生命科学学院,江西,吉安,343009;井冈山大学生命科学学院,江西,吉安,343009;井冈山大学生命科学学院,江西,吉安,343009;井冈山大学生命科学学院,江西,吉安,343009
【正文语种】中文
【中图分类】Q964
【相关文献】
1.蜘蛛丝的机械性能 [J], F.K.Ko;曹瑾;胡祖明
2.蜘蛛丝的结构与机械性能研究进展 [J], 蒋平;肖永红;吕太勇;廖信军
3.蜘蛛丝蛋白的基因结构及其表达研究进展 [J], 郑伟
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.蜘蛛丝的结构性能及表达策略研究进展 [J], 郑青亮;蒋彩英;张耀洲
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为什么蜘蛛网那么坚固
为什么蜘蛛网那么坚固蜘蛛网，作为一种自然结构，具有令人惊叹的坚固性。
一根细小而柔软的丝线竟能承受突如其来的冲击和风吹雨打，让人不禁惊叹于其坚固而又灵活的特性。
那么，蜘蛛网为何如此坚固呢？本文将从蜘蛛网的组成结构、丝线的物理特性以及蜘蛛的智慧等方面解析其坚固的原因。
一、蜘蛛网的组成结构蜘蛛网的主要构成部分是蜘蛛丝。
蜘蛛丝是由蜘蛛的腺体中分泌出来的液体，在空气中迅速凝固形成。
它主要由蛋白质组成，包含丝素等成分。
蜘蛛网通常由多种类型的丝线交织而成，但牢固的主要负责任务由一个叫做“支撑线”的结构承担。
支撑线通常位于蜘蛛网的外边缘，其直径较粗、强度高，能够抵抗外来冲击。
同时，支撑线之间通过普通丝线连接起来，形成网孔，这些网孔可以拦截昆虫和小型动物，使它们无法逃脱。
这种由丝线交织而成的结构，使整个蜘蛛网能够分担冲击而不容易被破坏。
二、丝线的物理特性蜘蛛丝具有超强的拉力和韧性，这是由于其特殊的物理特性所决定的。
首先，蜘蛛丝的直径非常细，在直径小于人类头发丝数十倍的情况下，却能承受很大的拉力。
其次，蜘蛛丝的拉伸强度非常高，具有很强的抗拉能力。
另外，蜘蛛丝还表现出很高的韧性，即在受到拉力的情况下，能够延展很长的距离而不会断裂。
这些独特的物理特性使得蜘蛛丝能够应对各种环境和外来冲击。
它的强韧使得蜘蛛网能够经受住风雨和突如其来的冲击，保持其完整性和稳定性。
三、蜘蛛的智慧蜘蛛的智慧也是蜘蛛网坚固的原因之一。
蜘蛛在搭建蜘蛛网的过程中，会根据自身需求和环境条件来调整丝线的结构和密度，以便使网能更好地捕捉猎物。
例如，蜘蛛在网的外侧设置了支撑线，以增强整个网的稳定性。
对于大型的猎物，蜘蛛会使用更为坚固的丝线，以应对其较大的冲击力。
蜘蛛还通过丝线的粘性来增加捕捉猎物的成功率，同时又能保证自身不会被困。
蜘蛛通过不断试验和调整，利用丝线的特性和环境条件，构建出最适合自身需要的坚固蜘蛛网。
这种智慧和灵活性也是蜘蛛网坚固性的重要原因之一。
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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纺织新材料蜘蛛丝
摘要： 经过多年努力， 蜘蛛丝的开发应用及人工生产已经取得了突 破性 进展。 文章分析 了天然蜘蛛丝的结构与物理、 化学性能 介绍了 利用转 基因 技术生产人造蜘蛛丝的方法及其现状， 并对蜘蛛丝的应用领域及前
景作了 展望。
纤维性能；转基因技术 关键词：蜘蛛丝；纤维结构
获 得“ 生 物 钢 ” 蛋 白 ０ ］ ＃ １
３ ． ５ 目 前人造蜘蛛丝存在的问题 第一代的Ｂ ｉ ｏ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ 直径比天然蜘蛛丝大 １一２ 个数 量级，另一方面，天然蜘蛛丝具有皮芯层结构，目前看 来很难模仿。 Ｂ ｉ ｏ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ 生产与蜘蛛纺丝过程最大的差别还
在干后者是液晶纺丝，在蜘蛛的丝腺中，可区分出长度
随拉伸形变无法实现的特性。蜘蛛丝结构模型可以这样 描述 ：由柔韧的蛋白质分 子 链组成的非晶区，通过一定
术难题［ ３ ， ，此研究被列为国家 “ ８ ６ ３ ”计划重点项目，目
前正在进行当中。
硬度的棒状微粒晶体所增强，这些晶体由具疏水性的聚 丙氨酸排列成氢键连接的Ｒ 一 折叠片层， 折叠片层中分子 相互平行排列。另一方面，甘氨酸富集的聚肤链组成了 蜘蛛丝蛋白无定形区，无定形区内的聚肤链间通过氢键 交联，组成了似橡胶分子的网状结构１ ３ １
因放入奶牛的胎盘内进行特殊培育 ， 等到奶牛长大后， 所
２ 蜘蛛丝的性能
２ ． １ 物理性能 蜘蛛丝是目前世界上最为坚韧且具有弹性的纤维之 一， 尤其是它的牵引丝在力学性能上具有蚕丝和一般的 合成纤维所无法比拟的突出优势。蜘蛛丝物理密度为 １ ． ３ ４ ｇ ／ ｃ ｍ ＇ ，与蚕丝和羊毛相近。蜘蛛丝光滑闪亮、耐 紫外线性能强，而且较耐高温和低温。热分析表明，蜘 蛛丝在 ２ ０ ０℃以下表现热稳定性良好，３ ０ ０℃以上才黄 变， 零下４ ０℃时仍有弹性 ， 只有在更低的温度下才变硬。 在强度方面， 它与Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 纤维相似， 但是其断裂功却是 Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 的１ ． ５ 倍，初始模量比尼龙大得多，达到Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 纤维的高强高模水平。蜘蛛丝的断裂伸长率达 ３ ６％ 一
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝要点
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
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2 结果与讨论
2. 1 卵袋丝的物理结构表征 卵袋框丝和内层丝直径分别约为 8 μm 和 2～
图 1 蜘蛛卵袋丝与蚕丝超微形貌 A :卵袋框丝 SEM ; B :卵袋内层丝 SEM ; C :脱胶蚕丝 SEM ; D :卵袋框丝 A FM ; E :卵袋内层丝 A FM
第1期
刘辉芬 等 :两种不同功能蜘蛛丝的物理化学结构表征与力学性能
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发的同时 ,受蜘蛛类似摩擦制动的拉力的影响 ,蛋白 构象发生改变 ,开始形成β2折叠 ,大分子链沿纤维轴 高度取向 ,形成主要由β2折叠片层组成的结晶区 ,流 速越慢 ,晶体的形成越完全 ,晶体的颗粒就会越大 , 蛛丝的表面就会越粗糙[22 ,23 ] ;而卵袋内层丝在低倍 放大下表面都不光滑 ,较为粗糙 (图 1B) ,可见与脱 胶蚕丝 (图 1C) 表面形貌相似的沿丝纤维纵向周期 性分布的清晰沟槽和条纹 (图 1 E) ,这些沟槽和条纹 可能是在成丝过程中液态丝蛋白流动而形成的 ,同 时具有原纤结构的特征[22] . 这一结构一方面增加了 丝的表面积 ,可能使卵袋具有较好的透气性 ,可能有 助于刚孵化的幼蛛攀附 ,有利于其发育生长[17] ; 另 一方面减小了丝的横截面面积 ,可增强丝的力学性 能 ,如断裂强度 、初始模量等[24] . 大腹园蛛卵袋内层 丝也呈现出相似的微观结构[22] . 蜘蛛卵袋内层丝与 蚕丝丝素相似的表面微观结构似乎表明了二者有相 似的成丝过程. 2. 2 氨基酸组成
2) 2 L 0 =π( D/ 2) 2 L 从实验测得的直径和截面面积 得到其断裂前的直径和截面面积 , D0 和 D 分别表示 断裂前后的蚕丝直径 π, ( D0 / 2) 2 和π( D/ 2) 2 分别表 示断裂前后的横截面面积 , L0 和 L 分别表示原始和 最终样品长度. 从表达式中可看出拉伸测试中样品 体积保持不变 ,以前有关蜘蛛丝和蚕丝的研究中也 一直利用这一关系[18～20 ] . 断裂能的通过计算应力应 变曲线与横坐标围成的面积获得.
称取 1～2 mg 蜘蛛丝 ,酸水解 ,然后送到四川 省农业科学院分析测试中心使用氨基酸自动分析仪 (L8000 Hitachi. J apan) 进行氨基酸组成分析. 1. 4 红外光谱分析
采用 KBr 固 体 压 片 制 样 的 方 法[17] : KBr 经 400 ℃高温灼烧 4 h ,在保干器中冷却到室温称重制 样 ,并做了 KBr 空白对照. 共测试 3 个蛛丝样品 :棒 络新妇拖牵丝 、卵袋框丝和卵袋内层丝. 在制样前 , 丝样品进行干燥 ,已排除水分对结构的影响. 测试仪 器为 170SX 型红外光谱仪 ( Nicole 公司) ,在中红外 区 4 000～400 cm - 1 范围内对样品进行测定. 1. 5 力学行为的测试
左右 ,因此 ,卵袋内层丝的极性氨基酸含量较高 ;谷 氨酸和脯氨酸的含量有所下降 , 分别为 13. 3 %和 1. 2 %左右 ,丙氨酸的含量变化不大 ,仍占了 23 %左 右. Gar b 等[25] 的研究表明 ,柱状腺丝心蛋白 TuSp1 的在进化上是保守的 ,本研究的棒络新妇卵袋内层 丝的氨基酸组成与丝心蛋白 TuSp1 的组成相似 ,因 此,可推断其卵袋内层丝主要含有丝心蛋白
收稿日期 : 2009205207 通信联系人 E2mail :jping412 @yahoo . co m. cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (30760041) ; 江西省教育厅科技项目 ( . GJJ 08422 , GJJ 08423) ; 江西省自然科学基金资助项目
关 键 词 : 蜘蛛 ; 卵袋丝 ; 结构 ; 力学性能 中图分类号 : TS 102. 3 ; TS 102. 1 文献标识码 :A
0 引 言
蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维 ,具有强度高 、 弹性好 、初始模量大 、断裂能大 、可生物降解 、生物相 容性好 、轻盈等优良机械性能及特性[1～3] ,可广泛应 用于高性能的丝纤维 、条带和薄片 、纺织等材料的日 常生活领域 、人造组织和器官等组织工程材料领域 ; 医用缝合线 、药物载体等医药领域[4] 、高性能的导磁 导电的新型丝纤维领域[5 ,6] 、防弹衣 ,降落伞等国防 领域[4] . 因此 ,人们在对蜘蛛丝的基因结构 、蛋白组 成 、分子结构 、人造蛛丝等方面作大量研究的同时 , 也对蛛丝的机械性能进行了深入研究 ,但主要集中 于大壶状腺纺出的拖牵丝 ,近年来由柱状腺纺出的 卵袋丝[7～10 ] 以及其他丝腺 ,如小壶状腺 、葡萄状腺 等[11 ,12 ] 纺出的蛛丝蛋白纤维愈来愈受到人们的关 注. 由于蜘蛛丝与蜘蛛的生存与繁殖紧密联系在一 起 ,因此其特有的结构和性能与它的生物学功能密 切相关[4 ,13～15 ] . 本文采用氨基酸自动分析仪 、傅立叶 转换红外光谱仪 、单纤强力仪和电子显微镜对棒络 新妇 ( N . cl av at a) 卵袋框丝与内层丝两种不同功能
12μm ,均为微米级蛛丝. 在低倍放大下棒络新妇卵 袋框丝与典型蛛丝拖牵丝一样 ,表面较为光滑细腻 (图 1A) ,但在高倍放大下 ,蜘蛛拖牵丝表面是无序 而且粗糙的 (图 1D) . 蛛丝蛋白在纺器内部时 ,含有 极少的β2折叠 ,主要结构有 30 % α2螺旋 ,40 %无规 卷 曲 ,30 %β2转角[21] ,在流出纺管的过程中 ,水份蒸
卵袋框丝与典型蜘蛛拖牵丝的氨基酸组成相似 (表 1) ,甘氨酸 (占 22. 9 %) 和丙氨酸 (占 22. 7 %左 右) 的含量最丰富 ,其次是谷氨酸 (占 16. 6 %左右) 和丝氨酸 (占 8. 3 %) ,亮氨酸 、脯氨酸 、酪氨酸和精 氨酸 ,共占 30 %～ 35 %左右 , 苏氨酸含量较低 ( 占 2. 1 %) . 与拖牵丝和卵袋框丝相比 ,棒络新妇卵袋内 层丝纤维的氨基酸组成发生了一个重要的变化 :丝 氨酸和苏氨酸的含量大幅度增加 ,分别为 19. 1 %和 6. 1 %左右 ,同时甘氨酸的含量大幅度减少 ,为7. 2 %
的蜘蛛纤维进行了物理化学结构表征 、力学行为与 性能的测试研究. 本研究将加深人们对蜘蛛丝的结 构 、力学行为和力学性能与生物学功能之间关系的 认识和理解.
1 材料与方法
1. 1 蛛丝样品的准备 实验所用蜘蛛为棒络新妇 ( N . cl av at a) . 体长
15～21 mm ,重 300 mg 以上 ,均为成体 ,放入 60 cm ×60 cm ×50 cm 笼中 ,用蚊虫喂养 ,饲养条件为 : (24. 5 ±2. 0) ℃,相对湿度 (50 ±5) % ,L∶D = 12∶12 h. 在蜘蛛织制完卵袋后 ,立即收集卵袋框丝和内层 丝纤维备用. 1. 2 蜘蛛卵袋丝超微形貌
第 56 卷 第 1 期 2010 年 2 月
武汉大学学报 (理学版) J . Wuhan U niv. (Nat . Sci. Ed. )
Vol. 56 No . 1 Feb. 2010 ,093～100
文章编号 :167128836 (2010) 0120093208
两种不同功能蜘蛛丝的物理化学 结构表征与力学性能
表 1 蜘蛛卵袋框丝 、内层丝 、拖牵丝与家蚕蚕丝氨基酸组成
丝纤维 氨基酸
甘氨酸 丙氨酸 谷氨酸 丝氨酸 脯氨酸 天门冬氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 酪氨酸 苏氨酸 精氨酸 缬氨酸 组氨酸 赖氨酸 异亮氨酸
卵袋内层丝 ( n = 4) 7. 2 ±0. 1
23. 0 ±0. 9 13. 3 ±0. 2 19. 1 ±0. 5 1. 2 ±0. 0 3. 6 ±0. 0 5. 5 ±0. 1 7. 3 ±0. 0 1. 6 ±0. 0 6. 1 ±0. 1 4. 3 ±0. 1 3. 6 ±0. 1 0. 9 ±0. 0 0. 5 ±0. 0 2. 9 ±0. 0
采用 YG001A 型 (江苏太仓纺织仪器厂) 单纤 电子强力仪对蜘蛛丝与蚕丝进行了拉伸测试 ,测试 条件 :夹持距 20 mm ,下降速度 10 mm/ min ,走纸速 度 12 mm/ min 温度 20 ℃,相对湿度为 65 %.
将拉伸试验断裂后的样品 喷金 , 用扫 描电 镜 (观测条件 :20 kV ,0. 6 nA) 观测样品的外貌 ,测定 其沿丝长轴旋转 90°前后两个位置的直径值. 样品 在 拉伸测试后用 SEM观察 ,可通过表达式 :π( D0 /
将卵袋丝纤维用双面胶贴在样品台上 ,用金粉 喷镀 5 min 后 , 直接送入样品室进行观察 (J EOL J SM25900 日本电子株式会社 , 观察条件 : 20 kV , 0. 6 nA) ,丝纤维的直径通过在扫描电镜下放大的 照片来测定[16] . 在配套软件 Smileview 下放大图片 进行丝纤维的直径的测量和统计. 分别将长 3 cm 卵
(2007 GQN1690) 作者简介 : 刘辉芬 ,女 ,博士生 ,副研究员 ,现从事蜘蚕丝蛛丝的结构 、性能与功能及应用研究等. E2mail :liu. huifen @gmail . co m
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武汉大学学报 (理学版)
第 56 卷
袋丝轻轻贴在 1. 5 cm ×1. 5 cm 有双面胶的盖玻片 上 ,然后直接装入原子力显微镜 ( SPA400 型 ,日本 精工) 样品室 ,采用轻巧模式进行观察分析. 1. 3 氨基酸组成分析
刘辉芬1 , 蒋 平2 , 肖永红2 , 廖信军2 , 郭 聪1
(1. 四川大学 生命科学学院/ 生物资源与生态环境教育部重点实验室 ,四川 成都 610064 ; 2. 井冈山大学 生命科学学院 ,江西 吉安 343009)
摘 要 : 蜘蛛丝是一种具有优良机械性能的天然动物蛋白纤维 ,它特有的结构和性能与其生物学功能密切相 关. 采用氨基酸自动分析仪 、傅立叶转换红外光谱仪 、单纤强力仪和电子显微镜对棒络新妇 ( N e p hil a cl av ata) 卵袋 框丝 (纺自大壶状腺) 与内层丝 (纺自柱状腺) 两种不同功能蜘蛛丝的物理化学结构表征 、力学行为与性能白二级结构与其力学行为与性能相一致 ,蜘蛛丝似乎呈现出一定 的机械性能 ,以适应其不同的功能要求 ,这对人们进行新型安全防护材料的仿生设计将有重要的指导意义.