蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维「蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维视频」

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蜘蛛丝对人类科学研究的影响和作用？

蜘蛛丝是一种天然高分子蛋白纤维和生物材料。纤维具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、抗紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的。纤维初始模量高、断裂功大、韧性强，是加工特种纺织品的首选原料。蜘蛛丝由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。

蜘蛛丝纺织品的生产可追溯至18世纪，最具代表性的是1710年巴黎科学院展出的蜘蛛丝长统袜和手套，这是人类历史上第一双用蜘蛛丝织成的长统袜与手套；1864年美国制作了另外一双薄蛛丝长统袜，所用的蛛丝是从500个蜘蛛喷丝头中抽取出来的，这种长统袜由于太薄而不能穿；1900年巴黎世界博览会上展示了用2.5万只蜘蛛吐出的9.14万米长的丝织成的一块长16.46m、宽0.46m的布，该产品花费太高，没有带来商业利润。到1997年初，美国生物学家安妮·穆尔发现，在美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，它吐出的丝比现在所知道的任何蜘蛛丝的强度都高。蜘蛛丝特殊的结构和性能已引起世界各国的关注，并在纺织、医疗卫生和军事领域产生了极其重要的影响。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其它动植物体内，从而使蜘蛛丝纤维实现工业化生产的梦想成为现实。

实验室制造的强力柔韧蜘蛛丝

通过从大自然中获取一页，研究人员已经制造出一种能大量生产的强力柔韧的蜘蛛丝。莉娜·霍姆，

我们建造了摩天大楼，比声音和粒子对撞机在地球表面下一英里的速度更快的飞机。

然而在某些方面，卑微的小蜘蛛却让人类大吃一惊：蜘蛛用来诱捕猎物的丝线是自然工程的惊人壮举。一磅一磅，一英寸一英寸，蜘蛛丝可以吸收大量的能量而不被撕开。它比钢更坚固，但比橡胶更富有弹性。

现在，科学家们发明了一种合成蜘蛛丝，它的许多特性与野生蜘蛛丝相同，而且它们可以大规模生产——克服了过去在该领域研究中遇到的两个限制。[人造蜘蛛丝的惊人照片]

坚韧而有弹性的

寻找蜘蛛丝的自然仿制品并不是什么新鲜事。例如，2010年，国家科学基金会资助了一个项目，对山羊进行基因工程，使其在牛奶中生产蜘蛛丝，而其他项目则专注于在酵母、细菌和昆虫细胞中大规模生产蜘蛛丝蛋白，称为“蜘蛛丝蛋白”。2015年，研究人员在《生物材料》杂志上报告说，他们利用转基因山羊产生的spidroons形成生长脑细胞的支架。[仿生：7项受自然启发的聪明技术]

“由于蜘蛛是领土，生产少量的丝，任何蜘蛛丝的工业应用都需要生产重组蜘蛛丝蛋白和产生人工蜘蛛丝纤维，研究人员在星期一（1月9日）发表在《自然化学生物学》杂志上的一篇论文中写道：

然而，先前设计的蜘蛛侠并不是野生蛛形纲动物的复制品。研究人员报告说，在溶液中产生的工程丝蛋白在低浓度下可以产生令人失望的少量；它们会聚集在一起；它们不会在液体中溶解。

等等，研究人员写道，那些生产出来的假蜘蛛丝，除非在最初生产后经过广泛的处理，否则其物理性能就很差。

结果表明，蜘蛛自然会在丝纺织管道中生产丝，沿着腺体的pH值（一种物质的酸性程度）从大约7.6（稍微碱性，意味着存在更多的负电荷离子）逐渐变化到小于5.7（酸性，意味着存在更多的正电荷离子）。根据2014年《公共科学图书馆生物学》（PLOS Biology）杂志上的一项研究，这种pH值的变化促使蛋白质在末端改变形状，导致蛋白质像锁和触发器一样自我组装。同时，顶部看起来有点像一个稍微不起皱的大脑的导管变窄成一根细管，穿过导管的巨大力量将纤维拉成股，研究人员发现，

模拟蜘蛛导管

，研究小组想知道，模拟蜘蛛自身丝腺的状况是否会产生更好的结果。他们还注意到，来自不同种类蜘蛛的部分天然蜘蛛丝蛋白具有不同的pH值和溶解能力。

，因此，研究人员将两种蜘蛛的蜘蛛丝蛋白基因结合起来，创造了一种叫做NT2RepCT的杂交蜘蛛丝基因。NT2RepCT编码了一种全新的蛋白质，结合了两种蜘蛛蛋白的最佳特性：高溶解度和高pH敏感性。然后他们将杂交丝蛋白的基因插入细菌的DNA中，产生蛋白质。

最后，这个过程产生了一种高浓度的蜘蛛丝蛋白溶液，看起来浑浊而粘稠，就像真正的蜘蛛丝蛋白在丝腺体内部一样。然后他们通过一根薄的玻璃毛细管泵送这种溶液，这模仿了现实世界中产生蜘蛛丝纤维的剪切过程厄斯在报纸上写道。研究人员报告说，这个过程在一个0.26加仑（1升）的烧瓶中产生了3280英尺（1000米）的纤维。

“初生NT2RepCT纤维的应力应变行为与天然蜘蛛丝在性质上相似，它们在屈服点之前表现出一个初始弹性阶段，”之后丝绸开始变形，研究人员在论文中写道：

虽然合成蜘蛛丝的行为很像真丝，但它的韧性和拉伸强度比天然蜘蛛丝低，这意味着它更容易断裂。

提高韧性的一种可能方法是纺制直径接近研究人员写道：“天然的牵引丝，因为这显然会对丝纤维的机械性能产生影响。

”

最初发表在《生命科学》杂志上。

中国科学家研获超强韧人造蜘蛛丝，可应用于哪些领域？

中国科学家研获出新型超强韧人造蜘蛛丝，它强度高、慢回弹、可重复伸缩，未来或将用于高空缓降等多领域。

自然界中的蜘蛛丝具有强大的机械性能，它表现出极高的抗拉强度，与高等级合金钢相当，可以达到高强度合成纤维——芳纶纤维，如凯夫拉纤维的一半（3 GPa）。但是，通常情况下金属丝或凯夫拉纤维几乎不可伸长，而蜘蛛丝可伸长到约40%，在高湿的度环境下可伸长5倍。

在被拉长后，遇到湿气或遇水时，会恢复到初始长度。这使它被来袭的猎物撞击而拉长后，可以自动修复并重新使用。

研究人员以一种凝胶为原料，利用纺丝方法从中拉出长丝，与蜘蛛吐丝类似。这种凝胶的成分98％是水，其余成分是经过特殊处理的二氧化硅纳米粒子和纤维素，由一种被称为瓜环的筒状分子“手铐”铐在一起。

在凝胶中富含水的环境下，不同分子间的相互作用使它们结合形成复杂的超分子结构，从而可以在室温下拉成直径仅几微米的长丝。约30秒后，丝线中的水分挥发，留下韧性和弹性都很高的纤维。

人造蜘蛛丝这种新材料达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能。水凝胶纤维由聚丙烯酸制成，聚丙烯酸具有核-鞘结构，通过掺杂二价离子、并加捻获得一定的捻度极大的增加了其强度。该纤维的拉伸强度可达895MPa、拉伸可达44.3%、模量高达28.7GPa、韧性达到370MJ m-3，阻尼效率达到95%。

这种纤维的抗拉强度约为100兆帕到150兆帕，大约相当于天然蛛丝的十分之一，高于粘胶纤维和人造丝等部分合成纤维，以及人和动物毛发等天然纤维。此外，它还有非常高的阻尼，像蹦极绳一样可以吸收大量能量。这些属性使它可用于制造特殊纺织品、传感器等等。

蜘蛛丝和蚕丝怎么区别？

蚕丝、蜘蛛丝羊毛从成分上讲，实质上是一种动物性资源的蛋白纤维。蚕丝、蜘蛛丝与之一样，作为蛋白纤维，它们在自然界也都可以自动降解，因此也认为都是动物性资源的绿色纤维。其中，蜘蛛丝具有卓越的强伸度和高弹性。正因为这样，人们一直希望像利用蚕丝一样利用蜘蛛丝，故对蜘蛛丝方面的研究，至今从未放弃过。例如，杜邦公司正运用生物工程技术着力研究DNA的重新联合，仿造蜘蛛丝。他们首先用先进的计算机模拟技术建立蜘蛛丝蛋白质各种成分的分子模型，然后运用遗传学基因合成技术把遗传基因植入酵母和细菌，仿制出蜘蛛丝蛋白质，溶解后抽出的丝轻、强、有弹性，仿真如真，纤度可达真丝的1/10，强力是相同纤度钢丝的510倍。