超级纤维蜘蛛丝的研究与开发利用现状

惠 晶 徐 红

（新疆大学 纺织与服装学院 新疆 乌鲁木齐 830046）

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。它具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能，以及比重小、耐低温、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、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进行了深入的研究，在利用基因和蛋白质测定技术解开了蜘蛛丝奥妙的同时，在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。我国近几年也有很多研究者致力于此，取得了一定的成果。在不久的将来，蜘蛛丝必将会在科技、国防、工业等领域得到重要应用。

1 蜘蛛丝纤维的结构性能研究

1.1 蜘蛛丝的种类和用途

蜘蛛丝光滑闪亮，其横截面为圆形，不同蜘蛛的丝具有不同的理化特性，即使是同一只蜘蛛的丝也会因为分泌的腺体部位不同而不同。表1所列的即是蜘蛛不同腺体分泌的蛛丝及其用途。

表1 蜘蛛丝的种类及用途

研究表明，蜘蛛丝产生于其体内特殊的分泌腺，这些分泌腺因蜘蛛的种类不同而各异。到目前为止，生物学家共发现了7种类型的分泌腺，常见的有葡萄腺、梨状腺、壶状腺、叶状线、集合腺等。蜘蛛的种类繁多，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。古蛛亚目的蜘蛛只能吐出一种丝；原蛛亚目的蜘蛛可吐出3种丝；新蛛亚目的蜘蛛可吐出7种丝。一般来说，新蛛亚目所有的蜘蛛都会有7种丝腺，各个丝腺分别能产生不同性质的丝[1]。

1.2 蜘蛛丝的微观结构

从外观看，蜘蛛丝呈金黄色，超倍电子显微镜研究蜘蛛丝的结构发现：由蜘蛛丝蛋白构成高分子化合物——微原纤，多个微原纤的集合体形成原纤，由原纤的纤维束组成了蜘蛛丝。蜘蛛丝是一根单独的长丝，直径只有几微米(如图1所示)，物理密度接近羊毛。蜘蛛的腺液离开蜘蛛体后，立刻成为固体，形成一种蛋白质丝，固化后的这种蛋白质丝即蜘蛛丝不溶于水，并具有其他纤维不可比拟的性能。

图1 蜘蛛丝的表面扫描电镜图（图中白色标尺为5μm）

苏州大学材料工程学院的潘志娟，朱美男，利用原子力显微镜研究了蜘蛛牵引丝及其内外层包卵丝的微观结构[2]。研究表明，丝素和包卵丝纤维的纵向表面都有成丝过程中液态丝蛋白流动而形成的清晰的构槽和条纹，在低速下自然分泌的牵引丝的表面皮层相对比较细腻，而垂直下落蜘蛛在高速下分泌的牵引丝具有和丝素纤维比较相似的微观结构特征。这些丝纤维的断面内都分布有大量微细的原纤，形状基本为圆形，其中三种蜘蛛丝的微纤维直径相似，而丝素纤维内的微纤维要粗得多。

蜘蛛牵引丝的表面虽然呈现凹凸不平的无序状态，但形态上与丝素纤维间有较大差异，表面粗糙度比丝素要小得多，在高倍下并没有清楚的丝蛋白流动取向的路径和原纤结构的特征，但具有也许是水分蒸发凝固而形成的微小孔穴结构。牵引丝断面表明，牵引丝纤维内还含有大量微细纤维，其直径比丝素的小得多，大约为50nm，这可能和蜘蛛牵引丝具有皮芯层结构有关，牵引丝的皮层没有显著的原纤结构特征，但其芯层内含有大量的微细纤维。

牵引丝的微观结构和力学性能与成丝条件间有十分密切的关系。蜘蛛在水平面上自然爬行时所分泌的纤维，由于所处的状态比较稳定，成丝速度低(2cm/s左右)，因此结构上比较细腻。从高处垂直下落的蜘蛛所分泌的牵引丝表面的无序程度远大于自然分泌的牵引丝，这和此时的成丝速度快(10-12cm/s)，在蜘蛛自重作用下，所受成丝应力大有关。

2 蜘蛛丝纤维和生物纺丝过程的研究

2.1 天然蛛丝的成丝过程

蜘蛛丝的产生，以十字园蛛为例，在十字园蛛的前腹部有用来形成蛛丝纤维的壶状腺，壶状腺由3部分组成，中心小囊、一条很长的弯管和出口。蜘蛛丝在拉丝时，小囊内部的细胞会分泌出许多露珠状的粘液，粘液中含有两种蜘蛛素蛋白。当这些黏液流到小囊的下部时，下部的细胞会分泌出另一种蛋白质，即糖蛋白与之混合，从而形成液态晶体结构的纤维。然后，这些黏稠的液体便向出口流动，此时，各种蛋白质内的长分子会沿着纤维中心线平行地排列，并由分子间形成的氢键连接，最后完成蜘蛛丝的原料制备并向纺丝器输出。

纺丝器位于蜘蛛腹部的中、后部，是最终“出产”蜘蛛丝的地方，纺丝器上有许多像喷头形状的纺丝管(如图2所示)，蜘蛛丝就是从这里喷出来的。纺丝管的数量因蜘蛛种类的不同而各异，最多的是一种叫做线纹冒头的蜘蛛，它身上的纺丝管竟然有9 600个之多，一根蜘蛛丝就是由纺丝器上喷出的无数细丝合成的[3]。

图2 蜘蛛的纺丝管

2.2 生物纺丝的合成途径

蜘蛛丝作为性能优良的天然蛋白纤维有广泛的应用前景。但是，蜘蛛很难驯养，天然蜘蛛丝的产量低且难以大量收集，所以限制了蜘蛛丝的研究和利用。随着对蛛丝蛋白基因尤其是牵丝蛋白基因分子结构的深入解析及基因工程技术的发展，许多科研工作者通过对蛛丝蛋白的研究，化学合成蛛丝蛋白基因或从蜘蛛丝腺cDNA文库中克隆蛛丝蛋白基因，选择不同的表达系统进行重组蛛丝蛋白表达，尝试仿制性能优越的蛛丝蛋白纤维。

2.2.1 利用动物（奶牛或奶羊）来生产

加拿大Nexia生物工程有限公司宣布已能够成功合成蜘蛛丝蛋白。办法就是将能复制蜘蛛蛋白的合成基因移植给山羊，山羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，其中含有经基因重组的蛋白质2~15g/L。用这种蛋白质生产的纤维被取名生物钢（Biosteel）。

2.2.2 利用微生物（细菌或酵母菌）来生产

这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生物。例如：已经发现一种名叫Escherichia Coli的细菌和一种名为Pichia Pastoris的酵母菌，通过基因移植技术能合成出蜘蛛丝蛋白的蛋白质。

2.2.3 利用植物来生产

这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植物，如花生、烟草及谷物等，使这些植物能大量生产类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后再将这种蛋白质提取出来作纺丝原料。

2.2.4 蚕吐蜘蛛丝生产

这种方法是将蜘蛛的基因采用电穿孔的方法注入很小（只有半粒芝麻大小）的蚕卵中，从而使培育出的家蚕分泌含有蜘蛛丝基因的丝。

3 蜘蛛丝的开发利用现状及存在的问题

由于蜘蛛丝本身具有超过其它纤维的综合性能，它在纺织、医疗、军事等领域的有着广泛应用。现今蜘蛛丝纤维的应用领域主要在以下几个方面：

（1）军事方面，作防弹背心、制造坦克和飞机的装甲以及军事建筑物的防弹衣等。

（2）航空航天方面，可制作结构材料、复合材料及宇航服等。

（3）建筑方面，可用于桥梁、高层建筑及民用建筑等方面。

（4）农业和食品方面，制作捕捞网具，包装材料等。

（5）医疗和保健方面，可作高性能的生物材料，如人工筋腱、人工韧带及人工器官、手术缝合线等。

虽然蜘蛛丝有超过其它纤维的许多性能，比如超高强度、超高弹性、耐低温性等，但由于天然蜘蛛丝产量非常低，而且蜘蛛具有同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖。现今，科学家已经提出并实现了一些仿蜘蛛丝蛋白的方法和途径，但仍存在以下一些问题：

（1）和天然丝蛋白相比，人工丝蛋白基因及其表达还不是整长度的，只是生产；

（2）表达效率还较低，而且存在表达系统的稳定性问题；

（3）表达的丝蛋白一般不具有分子取向；

（4）还不能够模拟蜘蛛丝的纤维化过程，将人工丝蛋白制成具有天然丝纤维特性的人工丝。

这其中最为关键的因素就是天然蛛丝蛋白在形成丝纤维过程中，丝蛋白分子要在蜘蛛的丝腺中逐步脱水，才能排列有序成为液晶态，最终经吐丝器牵引或拉伸而成一定结构和性能的丝纤维，所以由人工表达生产蛛丝蛋白到具有天然丝纤维特性的蛛丝，这中间的加工工艺还有待研究。

4 结语

专家预言,20世纪形成了石油经济技术体系，21世纪将会出现生物质经济产业。蜘蛛丝作为一种新兴的生物材料，有着独特、优异的性能。随着科技手段的迅速发展，人们必定越来越了解这种比钢还要强的生物蛋白丝，深入了解蜘蛛丝的基因背景、蛋白质结构特性及其独特的纺丝过程。这将推动蜘蛛丝人工制造与工业化应用研究，使其产业化生产技术日趋成熟。尤其是基因微生物法合成蜘蛛丝技术的研究，使蜘蛛丝无法像蚕丝那样大量生产的历史宣告结束，蜘蛛丝将广泛应用于医疗卫生、军事、高强度材料及纺织工业。

[1]赵爱春,夏庆友,鲁成等.超级纤维蜘蛛丝的研究动向[J].蚕学通讯,2007,2:28-34.

[2]潘志娟,李春萍,邱芯薇.蜘蛛丝的结构及其取向[J].科学技术与工程,2002,2(6):30-32.

[3]张慧勤,王志新.蜘蛛丝的研究与应用[J].中原工学院学报,2005,16(4):47-50.

[4]曹建,丁振华,沈新元.新型生物质纤维的现状与发展趋势[J].中国纤检,2012(1):82-86.

[5]郝新敏,杨元.功能纺织材料和防护服装[M].中国纺织出版社.

[6]陈瑶,孟清,卿凤翎.蜘蛛丝纤维的特性与开发生产[J].现代纺织技术,2006(6):53-56.