来自天然的高性能蜘蛛纤维

牟汝佳

纺织业利用蚕丝已有5000年的历史。丝织品属于蚕、蜘蛛和其他昆虫生成的一种纺丝蛋白纤维。但蛛丝不像蚕丝,为人类广泛应用于生活。原因就在于蜘蛛由于其孤独性和有害性,很难大规模饲养和收集。另外,蛛丝的单根纤维很难具备蚕丝一样的品质,而蚕茧却能大量繁殖和饲养,其生命周期适合人类养殖。但是,许多种类的蜘蛛却含有很高的丝蛋白,具有不同的聚合物化学链、氨基酸,这些物质可产生不同的作用。例如,一种称为金纺蜘蛛(Nephila clavipes)可分泌至少6种以上的不同丝纤维,不同的丝产生不同的作用,具有环境铰链、牢固和柔韧性,其作用远远胜过蚕丝。

蚕丝与蛛丝

人们利用生物丝是因为它具有很强的机械性、耐久性,光泽和手感都非常好。迄今为止,世界上只有蚕丝和蛛丝代表着最强壮的天然丝纤维,并且只有这两种丝纤维能与合成纤维竞相匹敌,具有无与伦比的高机械性能。不仅如此,金纺蜘蛛的蛛丝牵引纤维经收集和测试,人们发现其初始模量和抗张强度分别达到60 GPa和2.9GPa,此外,这类纤维抗压抗变形性能高。这使它们独树一帜,成为人类探究和利用的目标。根据显微镜下的单根丝纤维的强度测试,蛛丝在扭结曲绕状态下,蛛丝和蚕丝几乎不存在断裂现象,而合成纤维丝却无法经受相对低的抗张压力。

蜘蛛丝与蚕茧丝均被看作半水晶性材料,拥有强烈的水晶质。大多数丝从水溶性蛋白合成为水不溶性过程中,形成二次结构以便生成反平行氢键,但一般而言,蚕茧丝蛋白内含有的晶体物质要多于金纺蜘蛛丝。

随着更多的蛛丝和蚕丝蛋白研究开展,人们越来越明白,丝蛋白族系拥有许多共同点,但也具备了很多不同点,其不同点反映出不同的作用和属性。蚕丝蛋白可形成一种蛋白纤维,属于丝胶蛋白的一种。其主要成分为氨基酸化学分子,具有高度重复连续性,其蛋白链在世界各地都能找到。作为结构性蛋白材料,其蛋白组的结构特性至关重要。它也容许大规模蛋白质以聚合体模式表现相关联。这将导致产生并形成合成遗传性变性,表现为更多蛋白,一种实验室技术可使这类强化蛋白以简易的模式出现。这些较短的遗传基因链得以聚合(或形成多聚体),形成较长的链和相关联的基因。

这些强大的分子生物工具以各类不同的体系扮演着生物化学链的角色,包括细菌、酵母菌、昆虫细胞、植物细胞和哺乳动物细胞,蛋白块及其分别形成的材料结构,其功能以蛋白聚合链的长度出现。

机械特性

基于糖胶氨基酸和丙氨酸的支配作用,丝蛋白不易被水沾湿,这是因为丝蛋白在形成纤维的过程中保持了溶水性蛋白,其浓缩百分比达30%。其液晶相成为丝形成的一部分,使其活化过程在形成晶体化之前就已完成。因此,它不溶于水。而提早结晶对动物却是灾难性的,因为它限制了丝胶的成形。最新研究表明,胶束和凝胶状物质已成为丝蛋白链交互形成丝结构的重要步骤。

以上特征足以通过复制形成控水并剔除水溶液的蛋白丝纤维。这类组成具有韧性的分子胶囊与结构不断生长变化形成了能回应浓缩蛋白变化的体系。这种具有两亲性表面活性剂的伸缩特性形成较小的球形胶束,逐渐发展成圆柱体形和薄片状结构。由于胶束的作用和结构水道,感胶离子体的液晶相即可解释丝蛋白浓缩聚合链形成的全过程。在胶丝蛋白形成过程中,基于胶束作用的形态特征就已形成。相应的处理条件,如氨基酸的化学特征以及化学序列层将与之相对应。这样的构思支配着这类丝蛋白按照传统合成聚合体方式完成。在丝结构内部,由于受排列和化学元素影响,大量内分防水程序(可结晶性支配着内外重叠次数),它不断受到防水性阻隔,由此就能有效控制胶束中的水含量,达到避免过早晶体化的目的。由此,动物丝成其为不溶于水的纤维。

总而言之,结合控制序列的化学性与形成的条件成为丝蛋白成功形成高性能纤维的关键。包括出现的化学阻断和阻断水分的化学特征,均须环境和恰当的机械属性相配合。纺丝重组细胞尚没有可靠数据供参考,或者说,仿效蚕丝或蜘蛛丝纤维的新机械特征还从未有过成功案例。

仿生体标准

实际上,许多纺丝过程是在生物体内模仿形成的。所有水环境均作为聚合过程的模式进行。细细观察蚕丝蛋白,我们可发现,基于蛋白的新物质形式具有可溶性。例如,多孔渗水3D海绵是通过丝蛋白形成的。将蚕丝蛋白与聚环氧乙烷混合,可获得充足的黏性溶液。它适用于电纺而产生非规模化直径的纤维。实际上,这样的报道业已存在。丝蛋白内部已被人类利用来配对多层缩氨酸。就此,一种适用于新型丝织品的标准也可能通过仿生形成。

工程化液体晶状体球蛋白因薄膜而形成碟状液晶分子层和不规则的材料。其层厚度和图案结构要基于连续结构和链长度。为了发现蛛丝或蚕丝在生物体内形成的过程,以新观点概述丝蛋白的交互形成过程,世界上许多国家的纤维实验室都在做这一工作,以便合成与蛛丝或蚕丝一样牢固的合成纤维。其牢固程度也可根据丝蛋白标准形成。例如,氨基乙酸-丙氨酸共聚物由聚乙二醇重复生成,已进行研究,以便提供基本的聚合体结构控制过程。而这个过程的标准化完全依据仿生原理制定出来。

随着遗传工程学的持续研究,丝蛋白的其他序列变化有效性和改良的数量可以预期。这些材料与聚合体相结合的新型水生方式,它能帮助人类持续获得利用基于丝材料的广泛潜在应用。与之同时,新型聚合体模仿系统将持续出现。最终,丝蛋白结构的作用数据将脱颖而出,蛋白聚合体可作为未来工程化高性能合成类似物,利用传统工艺将其加以利用。

蜘蛛丝的价值

人们可以下一个定论,蜘蛛网是一种强壮的纤维。一般而言,生物材料,包括丝和毛,广泛应用于制衣,其能力远远超出人类的想象。这些生物材料、结构、加工过程已通过人造材料模仿出来。数千年来,像蚕丝这样的天然材料已获得充分利用,其产品已达到十分完美的境界。蚕丝原是用来保护蚕茧的物质,具有美丽的属性,也具有耐用牢固的特点,这些优点已被人类确认并按照人类需求和愿望设计成各类质量和数量的产品。但是,蛛丝作为生物界最佳“织造工程师”,拥有难以置信的材料结构,而我们却未能加以充分利用。蛛丝织成的网具有强韧、沥水、轻便的纤维特征。蜘蛛网不怕风吹雨打,也不畏烈日暴晒。其纤维属性足以让我们惊叹,并且蜘蛛网能够从雾气、露水或雨水中获得营养并保持水分。

蜘蛛网还具有十分有趣的几何结构。其螺旋形沾黏密度和长度具有十分迷人的生成方式。而蛛网的断面结构却又排列整齐。其受力均匀,耐压耐冲撞,其弹力极好而不易毁坏。其完美程度无可挑剔,与之同时,它适应的温度,也十分适合人类,在大气压力下,可远距离拉网织网。我们在日常生活中常常看见各类形状大小不一的蜘蛛网,其沾黏材料可网住任何一种昆虫甚至鸟类。其质地远远超出了人类制造的牢固而重量极轻的合成纤维。如今,世界上已出现用这类材料制造防弹衣、太空结构服和其他轻型应用纺织物。

蜘蛛丝虽然从液态蛋白中产生,适用于室温和抗压力强,牢固性超过钢铁,其抗张强度高达1154 MPa,而钢铁抗张强度仅为400 MPa。不仅如此,蜘蛛以蚊蝇为食,却产出丝纤维。蜘蛛网在抓捕其它昆虫的同时却不沾黏自身。最新的纳米技术开发项目表明,新型纳米织物也将具备精巧、持续和高强度的耐久性。为达到这个目标,西方一些国家开发出电纺技术,即从聚合体溶液中直接提取直径为两毫米的纤维,然后融于高导电场,以达到广泛的制服净化要求。

(据印度纤维纺织网http://www.fibre2fashion.com/industry-article/18/1717 /high-performance-fibers-from-nature1.asp)