蚕丝和蜘蛛丝纤维：从溶解性蛋白到超级纤维
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。
蜘蛛丝纤维的研究现状与展望
蜘蛛丝纤维的研究现状与展望作者：董晶赵坤伟程金亮汪亮来源：《现代纺织技术》2019年第01期摘要：概述了近期国内外丝蛋白及纤维的合成及改性研究现状，发现人造蜘蛛丝蛋白主要来源于基因改变后的桑蚕、大肠杆菌等，对蜘蛛丝纤维物理力学性能的改性方法主要集中在蛛丝蛋白改性、纺丝方法转变、紫外辐射及与其他纺丝液复合纺丝等。
通过蜘蛛丝纤维与其他纤维的物理性能比较得知，蜘蛛丝纤维断裂伸长率高（43.4%）、拉伸强力大、耐疲劳性好。
同时，简述了蜘蛛丝纤维在复合材料、医用仿生材料以及纺织材料等领域的应用情况，并对蜘蛛丝纤维今后的发展进行了展望。
关键词：蜘蛛丝纤维;合成改性;复合材料;医用仿生材料;纺织材料中图分类号：TS102.3文献标志码：A文章编号：1009-265X（2019）01-0015-05蜘蛛丝纤维已成为继蚕丝之后，又一个在化学、生物、材料等学科领域受到广泛关注的动物丝纤维。
蜘蛛丝纤维具有许多优异的特性，包括韧性大、强度高、弹性好、有光泽、耐高温、耐低温、耐紫外线性能强、易于生物降解等。
它被称为“生物钢”，能够应用于外科手术缝线、防弹衣及降落伞等材料[1]。
邵正中等[2]已经制备了性能优于天然蚕丝的人造蚕丝，而对人造蜘蛛丝纤维的研究应紧随其后尽快取得突破。
人造蜘蛛丝纤维的生产，首先需要制备含有蜘蛛丝纤维特性的蜘蛛丝蛋白;其次是如何在合成之初就进行生物化学改性，以生产优于或者具有期望性能指标的蜘蛛丝;最后则是采用合适的工业化纺丝工艺将生产扩大化、低成本化。
本文主要对蜘蛛丝纤维的合成生产方法、改性方法、性能指标及应用情况进行了总结。
1蜘蛛丝纤维蜘蛛丝纤维能够在常温常压下进行液晶纺丝制得，不需要高温和腐蚀性溶剂，只需要水或其他绿色溶剂即可，更符合当今绿色纺织、染整的趋势和要求[1，3]。
如何在绿色环保的前提下，简便、低成本地合成出性能优异的蜘蛛丝纤维一直是国内外学者研究的热点。
1.1国内研究进展常温常压下，纯水透析后的再生丝蛋白水溶液浓度低，容易发生凝聚、不利于保存。
超级蛋白纤维—蜘蛛丝特性,分子结构与功能
超级蛋白纤维—蜘蛛丝特性,分子结构与功能
何家禄
【期刊名称】《国外农学：蚕业》
【年(卷),期】1991(000)003
【摘要】蜘蛛织网捕捉小虫,人类从中学会了织网捕鱼捉鸟为自己增加食物。
人类也一直在试着用蜘蛛丝编织服饰。
可是,迄今还不能像利用蚕丝那样大规模的,充分的利用它。
随着基因工程技术迅猛的发展,这一愿望的实现已被排到日程上了。
Ming
【总页数】6页(P11-15,25)
【作者】何家禄
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】Q959.226.2
【相关文献】
1.超级纤维蜘蛛丝的研究进展 [J], 张家明;孙雪飘
2.超级纤维蜘蛛丝的研究与开发利用现状 [J], 惠晶;徐红
3.不同工艺条件下再生蜘蛛丝蛋白的分子结构 [J], 许箐;潘志娟;钱丹娜;夏艳杰
4.超级纤维蜘蛛丝的研究动向 [J], 赵爱春;夏庆友;鲁成;向仲怀
5.牛肿瘤坏死因子样凋亡微弱诱导剂及其受体成纤维细胞生长因子诱导早期反应蛋白14的分子结构与特性研究 [J], Jia-Xin Zhang;刘丹
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“蜘蛛丝”细菌造
严毅梅蜘®fi 丝有爹结实？人类利用蜘蛛丝始于1909年。
在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被当作 十字准线用在望远镜、枪炮的瞄准系统中。
20世纪90年代后，人们开始对 蜘蛛丝蛋白的基因组成、结构形态、力学性能等有了深入研究，为蜘蛛丝 商业化生产提供了可能性。
丝绸常被用来生产服装和床上 用品，但是蜘蛛丝材料就远远不止 于此。
蜘蛛丝的物理性质与蚕丝相比，具有非常明显的优势。
蜘蛛丝 很结实，人们用物理数据证实了这一点。
在力学强度方面，蜘蛛丝纤 维与强度最高的碳纤维及高强合纤强度相接近，但韧性明显优于后两种纤维。
科学家称，蜘蛛生产的丝不仅 珍贵，而且非常坚韧。
这种材料的 强度是钢的5倍，但比人的头发还要细。
一根铅笔粗的蜘蛛丝绳子就能阻止波音747的飞行，而且可以拉 伸到原来长度的2到4倍。
因此，蜘 蛛丝纤维在国防、军事、建筑等领域具有广阔的应用前景。
天然蜘蛛产丝量非常低，而且 蜘蛛具有同类相食的习性，无法像 家蚕一样高密度养殖，所以靠养殖天然蜘蛛取得蛛丝产量很有限。
随着现代生物工程技术的发展, 用基因工程手段人工合成蜘蛛丝蛋白是一种新突破。
Science Review For Juvenile该项目的研究人员发现，在自然界中，有许多蛋白质材料具有惊人的机械性能，但这些材料的供应往往非常紧张。
于是，他们对生物工程产生兴趣，认为这样不仅可以生产这些材料，而且可以使它们变得更好。
现在，研究人员已经把蜘蛛放在了一边，开始着手利用细菌生产出大量的丝类材料。
这是一种新的利用生物制造材料的方法，即利用转基因细菌制造地球上最坚固和稀有的材料之一：“蜘蛛丝”。
通过将蛋白质植入细菌中，研究人员能够制造出像蜘蛛丝一样的材料。
用这种新方法生产的丝与蜘蛛丝的性能相同，具有相当的强度和弹性，其产量远远高于蜘蛛本身的产量。
美国国家航空航天局是本项研究的资助者之一，他们对生物生产材料感兴趣。
目前他们正在开发将二氧化碳转化为碳水化合物的技术,这些碳水化合物可以作为细菌的食物。
蜘蛛丝在工业制造中的应用技术
蜘蛛丝在工业制造中的应用技术蜘蛛丝是一种天然材料，具有出色的强度和韧性，被广泛应用于工业制造领域。
本文将介绍蜘蛛丝在纺织、医疗、航空航天和材料科学领域的应用技术。
一、蜘蛛丝在纺织领域的应用技术1. 高强度纤维制造：蜘蛛丝是一种具有超强强度的纤维材料，可以替代传统的合成纤维。
目前，科学家已成功把蜘蛛丝基因导入绵蚕或大肠杆菌等生物体内，利用生物技术制造出大量蜘蛛丝纤维。
2. 织物增强：将蜘蛛丝添加到纺织品中，可以显著提高纺织品的强度和耐磨性。
蜘蛛丝纤维可以与丝绸、棉织品等其他材料结合，增强织物的性能。
3. 纺线技术改进：蜘蛛丝是一种非常细且柔软的材料，传统的纺织技术无法直接纺制。
研究人员通过改进纺线技术，成功地将蜘蛛丝纤维转变为可用于纺织的线材。
二、蜘蛛丝在医疗领域的应用技术1. 生物材料：蜘蛛丝具有良好的生物相容性和生物降解性，可以被用作医疗器械和植入材料。
蜘蛛丝纤维可以制成缝合线、人工皮肤等医疗器械，用于外科手术和伤口愈合。
2. 药物传递系统：科学家利用蜘蛛丝的结构特性，开发出一种新型的药物传递系统。
药物可以被包裹在蜘蛛丝纤维内，通过控制纤维的解析速度，实现持续释放药物的效果。
三、蜘蛛丝在航空航天领域的应用技术1. 轻质高强材料：蜘蛛丝的强度与重量比是许多工程材料难以比拟的。
在航空航天领域，利用蜘蛛丝可以制造出轻质高强的材料，用于制作飞行器的结构件和支撑结构。
2. 防护装备：蜘蛛丝的高强度和高韧性使其成为一种优秀的防护材料。
蜘蛛丝纤维可以用于制作防弹衣、防护面具等装备，为航空航天人员提供更好的安全保护。
四、蜘蛛丝在材料科学领域的应用技术1. 生物仿生材料：蜘蛛丝具有独特的力学性能和结构特征，可以作为生物仿生材料的研究对象。
通过研究蜘蛛丝的结构和制造工艺，可以为人造纤维、高性能复合材料等领域提供新的启示。
2. 纳米技术应用：蜘蛛丝具有纳米级的细小结构，其纤维直径约为几十到几百纳米。
借助纳米技术，研究人员可以改变蜘蛛丝的性质和形态，进一步扩展其在材料科学领域的应用。
探寻蜘蛛丝的神奇特性
探寻蜘蛛丝的神奇特性在自然界中，存在着许多令人惊叹的奇妙现象和生物特性，蜘蛛丝便是其中之一。
这种看似纤细脆弱的物质，实际上蕴含着超乎想象的强大力量和独特性能，吸引着无数科学家和研究者的目光。
蜘蛛丝的强度令人难以置信。
与同样粗细的钢丝相比，蜘蛛丝的强度要高出许多。
这意味着在承受相同拉力的情况下，蜘蛛丝更不容易断裂。
想象一下，如此纤细的一根丝，竟然能够具备如此强大的抗拉能力，这无疑是大自然的鬼斧神工。
蜘蛛丝的柔韧性也是其一大特点。
它可以被拉伸到很长的长度而不断裂，并且在拉伸之后还能够恢复原状。
这种出色的柔韧性使得蜘蛛丝在应对外界力量时具有很好的缓冲作用，能够有效地吸收和分散能量。
这就像是一根具有“弹性记忆”的丝线，无论经历怎样的拉扯，都能记得自己最初的形态。
蜘蛛丝的轻盈特性同样值得关注。
它的密度非常小，几乎可以说是“轻如鸿毛”。
这使得蜘蛛在织网和移动时，不会因为丝线的重量而受到过多的限制。
而且，这种轻盈的特性也为蜘蛛丝在一些特殊应用中提供了可能，比如在航空航天领域，对于减轻飞行器的重量具有重要意义。
不仅如此，蜘蛛丝还具有良好的耐温性能。
在相对较宽的温度范围内，蜘蛛丝都能够保持其性能的稳定。
无论是在寒冷的环境中还是在炎热的条件下，蜘蛛丝都不会轻易发生变形或性能下降。
这一特性使得蜘蛛丝在各种复杂的环境中都能够发挥作用。
那么，蜘蛛丝为什么会拥有这些神奇的特性呢？这与它的分子结构和微观形态密切相关。
从分子层面来看，蜘蛛丝中的蛋白质分子排列得非常有序，形成了一种高度规整的结构。
这种结构赋予了蜘蛛丝高强度和高韧性。
而在微观形态上，蜘蛛丝表面通常具有一定的粗糙度和纹理，这有助于增加其与外界物体的摩擦力和附着力。
科学家们对蜘蛛丝的研究不仅仅是出于对自然奥秘的好奇，更重要的是希望能够将其应用于人类的生产和生活中。
例如，在医学领域，蜘蛛丝有可能被用于制造可降解的手术缝合线。
由于其良好的生物相容性和可降解性，能够减少患者在手术后的并发症和不适感。
为什么蜘蛛丝如此坚韧
为什么蜘蛛丝如此坚韧
蜘蛛丝是一种著名的天然纤维，因其坚韧性、柔韧性和轻巧性而备受瞩目。
许多研究者花费了大量的时间和精力探究蜘蛛丝的奥秘，其中某些研究即将开拓全新的纤维应用领域。
蜘蛛丝的制备
蜘蛛丝是由蜘蛛腺体内分泌蛋白而生成的。
蜘蛛腺体有许多不同类型，每一种都分泌不同种类的蛋白质。
通过“线腺”（源自后肠），蛋白质被拉伸成纤维，并在空气中自然凝结而成。
蜘蛛纤维的强度和韧性
蜘蛛丝的坚韧性传统上归功于其强度和柔韧性。
据说，蜘蛛丝的强度是钢的倍数。
这种韧性来自于其纤维结构。
类似于绷带的构造, 蜘蛛纤维是由许多细微的纤维束交织在一起的, 多层次的结构加强了其强度和刚性, 使其能够经受住大量的压力和拉伸。
蜘蛛丝的应用
考虑到其显著的机械特性, 蜘蛛丝被认为适用于人类环境中的各种应用领域。
如果科学家们能够开发出切实可行的方法，通过大量产生蜘蛛丝，就有可能在未来的建筑和工程中使用。
例如, 一些研究人员正在探索如何利用蜘蛛丝构建更坚固的建筑材料，可能会替代传统的钢铁框架。
除了建筑领域, 蜘蛛丝的应用领域还包括生物和医疗领域, 电子设备, 空气净化器, 防弹衣和体育设备等。
在医疗领域, 使用蜘蛛丝可能最大程度地减少其他材料对人体的负面影响, 特别是对于需要在人体内留置器具的患者。
结论
有证据表明，蜘蛛丝的性能可能比许多传统材料更出色，并具有许多应用领域的潜在可能性。
尽管蜘蛛丝的研究仍处于早期阶段，但科学家有望在未来开发出大规模生产蜘蛛丝的方法。
这将有助于推动大规模制造和商业化的发展，将蜘蛛丝和其它材料混合，用于许多不同类型的项目和应用。
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。
蜘蛛丝的纳米结构
蜘蛛丝的纳米结构
蜘蛛丝是由蜘蛛腺体分泌出的丝状物质，经过蜘蛛的加工和组装
后形成了各种不同的丝线，用来构建蜘蛛的巢穴、捕捉猎物和移动等。
近年来的研究发现，蜘蛛丝具有非常优异的性能和丰富的应用前景，
而其秘密全在于其纳米结构。
首先，蜘蛛丝的基础单元是由蛋白质分子组成的聚合物，这些聚
合物中有一种叫做“蛋白质蛋白”的分子，它们被称为“奇肽”，具
有非常独特的结构和性质。
奇肽分子呈现出了一种不规则的螺旋状结构，这种结构使得它们在构建丝线时能够交织在一起，形成一种坚韧
的纤维结构。
其次，蜘蛛丝的纳米结构也与其在捕食方面的优异表现有关。
蜘
蛛的网是由不同类型的丝线和不同结构的丝线组成的，其中最具有捕
捉功能的是叫做“粘液线”的丝线。
粘液线中的蛋白质分子和其他丝
线不同，它们具有蛋白酶抑制剂的特性，能够禁止猎物逃脱。
此外，
粘液线的纳米结构也很重要，它们呈现出一种盘绕的结构，形成了微
观级别的粘附点，使得蜘蛛网能够捕捉各种不同大小的猎物。
最后，蜘蛛丝的纳米结构具有许多视觉、声学、光学等应用价值。
由于蛋白质分子的独特性质，蜘蛛丝在生物医学、食品农业、纺织材
料和高性能电子等领域中都有广泛的应用前景。
例如，利用蜘蛛丝构
建仿生材料可以用于生物医学领域的修复和再生；利用蜘蛛丝改善纺
织品的抗菌性和防晒性能，提高材料的舒适性和耐用性。
总之，蜘蛛丝的纳米结构是一种非常优异的生物材料，由于其独
特性质和应用优势，受到了许多科学家和工程师的关注。
在未来的研
究和开发中，人们将进一步探究蜘蛛丝的纳米结构，应用推广其更加
广泛的适用价值。
新型纺材
新型纺材—蜘蛛丝1 蜘蛛和蜘蛛丝蜘蛛,八条腿的节肢动物,属于蛛形纲。
蜘蛛有许多适应自然的奇特之处,例如,蜘蛛把触网的昆虫和自己的旧网吃掉,以形成织造新网的材料,根据研究可知,蜘蛛在吃下旧网的30 min 后,旧网的成分就到达它的纺丝腺中[1]。
蜘蛛为了生存必须用最少量的丝去捕获食物,并且还利用蛛丝来飞行、结网、贮存食物和织卵袋。
因此,蜘蛛丝对蜘蛛的基本生命活动和日常生活来说,是必不可少的工具。
蜘蛛丝既结实又有弹性,其长度可达1.61 km。
蜘蛛丝网网住一只昆虫的力量相当于用一张由25 mm粗细的丝束制成的网使一架飞机停下来所需的力量[2],而且蜘蛛网在捕获高速飞行的昆虫后,能吸收昆虫的能量,使蜘蛛网不产生反弹,这与防弹衣工作的原理有相似之处。
因此,蜘蛛丝是制作防弹衣的理想材料。
蜘蛛丝和蚕丝一样可应用于纺织加工。
1710 年巴黎科学院展示了由蜘蛛丝制成的长筒袜和手套；1864 年美国也制成了一双蜘蛛丝长筒袜；1900年的巴黎博览会上,展出了由25000 只蜘蛛分泌的约9 万米长的蜘蛛丝织成的长16.46 m 宽46 cm的织物。
现在,美国、瑞士、加拿大、日本等国从各个角度深入研究蜘蛛丝的结构、纤维性能和应用前景等。
所以,蜘蛛丝作为一种新型纺织材料,已引起了世界各国的普遍关注。
2 蜘蛛丝的形成根据美国怀俄明大学生物学家研究发现,蜘蛛丝蛋白(Spidroin)具有非常奇特的性能,蛛丝在雨中不会溶化,说明蛛丝蛋白是不溶于水的。
但当蜘蛛结网时,液态蛛丝蛋白经过一管道到达纺绩突,在这里可以观察到液态蛛丝蛋白已具有某些液态晶体的性质；当蛛丝蛋白从纺绩突被挤压出来时,就成为不溶于水的固体了。
这说明在这个过程中,蛛丝蛋白发生了某种物理和化学的变化。
蜘蛛的液状丝是在它的腺体中形成的,各个丝腺分别产生不同性质的丝。
以新蛛亚目的圆蛛为例,不同丝腺产生的丝及其功能见表1。
蜘蛛结的网由来源于不同丝腺的多种丝所组成。
圆蛛网的网中间是排列较紧密的中心丝,是蜘蛛居住和生活的地方；从中心丝辐射向外的是没有粘性的纵丝,即放射状丝；纵丝中间连接的是横丝即螺旋丝,其弹性大、粘性强,可以粘住猎物；最外层的是框丝,它通过有粘性的附着丝同树木、屋檐、墙角相连。