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1高强高模天然纤维蜘蛛丝讲解

——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。

蜘蛛丝优异力学性能的结构机理及其模化摘要研究了蜘蛛丝力学性能与微观结构的关系采用x射线衍射技研究和分析了蜘蛛丝的结晶结构及其取向。

通过对蜘蛛丝的物理、化学处利用扫描电镜观察和分析了蜘蛛丝的微观结构特征，发现了蜘蛛丝具有皮术理芯层结构和原纤化构造。

分析了结晶度不足10%的蜘蛛丝具有高强度和高伸长的原因，研究了皮芯层结构对蜘蛛丝力学性能的影响以及不同功能蜘蛛丝应力一应变行为差异的形成原因。

研究了成丝条件与蜘蛛丝分子结构及性能的关系在分析蜘蛛丝生物纺丝机制的基础上，研究了成丝过程中蜘蛛丝蛋白分子构象的变化规律，探索了成丝条件对蜘蛛丝分子结构的影响以及蜘蛛随着生存环境和成丝方式的不同对丝纤维性能的自动调控能力，并进一步分析了分子结构和蜘蛛丝力学性能间的关系。

研究了皮芯层的比例和性能特征对蜘蛛丝纤维拉伸断裂模式的作用，并建立了理论方程。

蜘蛛丝的历史：

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。

一、蜘蛛丝的组成

蜘蛛丝产生于蜘蛛体内特殊的分泌腺，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、叶状腺、集合腺等。

蜘蛛的种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种。

按吐丝种类的多少，蜘蛛可分为古蛛亚目、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，各种丝腺分别能吐出不同性质的蜘蛛丝（见表1-6）。

蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，其基本组成单元为氨基酸。

蜘蛛丝中含17种左右的氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。

蜘蛛丝中含量最高的7种氨基酸的总和约占其总量的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（见表1-7）。

表1-6圆蛛族7种丝腺吐丝及其性质

蜘蛛的种类很多，不同蜘蛛丝的氨基酸组成差异很大。

目前，对蜘蛛产生的各种丝的组成和结构仅有有限的信息和数据，大多数的研究是关于络新妇属蜘蛛（Nephliaclavipe）腹状腺纺出的蜘蛛丝，又称为蜘蛛的牵引丝（dragline）。

与蚕丝一样，蜘蛛丝的主要成分是一种叫做蜘蛛素的特殊蛋白质，其成分与蚕丝中的丝蛋白相似。

这种蛋白质内合有大量的丙氨酸（约占25%）和甘氨酸（约占40%）。

研究发现，含丙氨酸的蛋白分子排列成紧密的折皱结构，呈晶体状，是造成蜘蛛丝异常坚固的原因；而含甘氨酸的蛋白分子的排列却显得杂乱无章，从而使得蜘蛛丝有极好的弹性和扩张性，这就是蜘蛛丝既坚又韧的原因。

二、蜘蛛丝纤维的结构

（一）蜘蛛丝的形态

蜘蛛丝呈金黄色，具有透明外观，在超倍电子显微镜下，看起来与蚕丝很相似。

它的超分子结构是由原纤组成，而原纤由120nm的微原纤组成，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。

蜘蛛丝的形态结构见图1-3。

纤维的横截面呈圆形或接近圆形，表面没有水溶性物质和丝胶；纵向形态有明显的收缩，丝中央有一道凹痕。

蜘蛛丝在水中有较大的溶胀性，截面会发生膨胀而径向则会发

生明显的收缩。

蜘蛛丝是单丝，直径只有几微米，物理密度接近羊毛。

蜘蛛的腺液离开蜘蛛体后，会立刻成为固体，形成一种蛋白质丝，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有其他纤维无法比拟的性能。

（a）横截面形态结构

（b）纵向表面形态

图1-3蜘蛛丝的形态结构

蜘蛛丝具有皮芯层结构，皮层和芯层可能是由两种不同的蛋白质组成的，皮芯层分子排列的稳定性也不同，皮层蛋白的结构更稳定。

蜘蛛丝的皮层和芯层是由腺体的2个不同区域组成的，皮层液状蛋白为六角形的柱状液晶，液晶状的皮层在外力的作用下，容易取向排列，且皮层凝固速度高于芯层，所以皮层拉伸效果比芯层好，同时皮层分子排列的规整程度高于芯层，因此皮层化内层致密，对纤维有很好的保护作用，这使蜘蛛丝能表现出较高的强度和韧性。

蜘蛛丝纤维在外力作用下分子链会逐渐伸直，致密的皮层能使纤维的断裂有一个缓冲过程，同时在外力继续作用下，芯层的原纤和原纤内的分子链能够沿着外力作用方向取向、重排和形成新的结合，所以皮层这种致密结构使得拉伸过程中纤维的各部分都能够被有效利用，这也是蜘蛛丝断裂伸长大的主要原因。

（二）蜘蛛丝的微观结构

蜘蛛的蛋白质分子构象为β-折叠链，分子链沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成曲折的栅片，其多肽链排列整齐、密集形成结晶区。

尺寸为2nm×5nm×7nm的纳米微晶体，占蜘蛛丝纤维总质量的10%左右，它是分散在蜘蛛丝无定形蛋白质基质中的增强材料。

由于蜘蛛丝的晶粒如此之小，以至于纤维在外界拉力作用下随着类似于橡胶的无定形区域的取向增加，蜘蛛丝晶体的取向度也随之增加。

当纤维拉伸度为10%时，纤维结晶度不变，结晶体的取向增加，横向晶体尺寸（即垂直于纤维轴向）有所减少，这是任何合成纤维的结构随拉伸形变无法实现的特性。

蜘蛛丝的微观结构模型可以这样描述：

由柔韧的蛋白质分子链组成无定型区，再由一定硬度的棒状微粒晶体起增强作用。

这些晶体由疏水性的聚丙氨酸排列的β-折叠片层组成，折叠片层中分子在氢键作用下相互平行排列。

另一方面，甘氨酸富集的聚肽链组成了蜘蛛丝蛋白中的无定形区，无定形区内的聚肽链间通过氢键交联，构成了类似橡胶分子的网状结构。

由蜘蛛丝的结构模型可以看出，由于结晶区内多肽链分子间的氢键作用，分子间作用力很大；而沿着纤维轴线方向排列的晶区结构又使外力作用时有更多的小晶区能承受外力作用，这是使得蜘蛛丝具有很高的强度的原因。

同时，由于蜘蛛丝的结晶度为10%~15%，比蚕丝（50%~60%）小得多，而非结晶区则比蚕丝大得多。

因此，可以认为蜘蛛丝具有良好弹性的主要原因是非结晶区的贡献。

此外，非结晶区分子呈β转角状，当受到拉伸力作用时可能会形成β转角螺旋，这也赋予了蜘蛛丝良好的弹性。

图1-4蜘蛛丝的显微电镜图

人们早就发现蜘蛛丝能吸收振动能量，并能使机械能转变成热量—假如不是这样，则飞行苍蝇和蝴蝶撞上蜘蛛网时就会被弹回到相反方向。

蜘蛛丝为何具有这些特性，长期以来一直无人知晓。

美国加利福尼亚研究机构的物理学家和生物学家组成的研究小组揭开了蜘蛛丝的秘密，他们在显微镜下发现蜘蛛丝是一根极细的螺线，看上去像长长的浸过液体的“弹簧”（图1-4）。

当“弹簧”被拉长时它会竭力返回原有的长度，但是当它收缩时液体会吸收全部剩余能量，同时使机械能转变成热量。

（三）蜘蛛丝的成丝过程

图1-5蜘蛛的纺丝管

蜘蛛吐丝的过程基本相似，以十字圆蜘蛛为例，在十字圆蜘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的中心线平行地排列，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（图1-5），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，数量最多的是一种线纹冒头蜘蛛，它身上的纺丝管有9600根，一根蜘蛛丝就是由无数纺丝器上喷出的细丝合并成的。

三、蜘蛛丝的性能

（一）蜘蛛丝的力学性能

①断裂性能

蜘蛛丝的物理密度是1.34g/cm3，与蚕丝和羊毛接近。

蜘蛛丝最吸引人的地方是其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1-8可以看出，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大，断裂伸长是丝素的3～5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高性能纤维Kevlar，但是其断裂伸长是钢丝的5～10倍，是Kevlar的10～20倍，其断裂功比钢丝和Kevlar大得多。

此外，纤维有较高的干湿模量，在干湿态下都具有高拉伸强度和高延伸度。

②剪切性能

蜘蛛丝很细，其横向压缩能力要比其它纤维差，纤维有很大的各向异性。

蜘蛛丝有很强的扭转性能，其剪切强度比其它纤维（包括凯夫拉）要高得多，具有很高的扭转稳定性。

③弹性

蜘蛛丝具有良好的弹性，当伸长至断裂伸长率的70%时，弹性恢复率仍可高达80%~90%。

（二）蜘蛛丝的耐热性

蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能。

据报导，蜘蛛丝200℃下表现出很好的热稳定性；在300℃以上才变黄，并开始分解；在零下40℃时仍有弹性，只有在更低的温度下才会变硬。

在有高温、低温使用需求的场合下，蜘蛛丝纤维的优点非常显著。

（三）蜘蛛丝的化学性能

蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，具有独特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀碱，但溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等。

对蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解。

遇高温加热时可以溶于乙醇。

蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱加深，遇酸则褪色。

它的微量化学性质与蚕丝相似。

蜘蛛的腺液离开身体后马上形成固体，成为一种蛋白质丝，这种蛋白丝不溶于水。

蜘蛛丝可以生物降解和回收，不会对环境造成污染。

四、蜘蛛丝纤维的生产方法

科学家们发现：

蜘蛛的天然共存性很差，它们会自相残杀，同类相食。

如果通过大量饲养繁殖蜘蛛的方法来获取蜘蛛丝是无法满足生产需要的。

随着生物技术、遗传基因技术的发展，通过对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物的研究，科学家们成

功地制造出了蜘蛛丝蛋白的合成基因，利用这种基因可生产出与天然蜘蛛丝蛋白相似的产品，这一研究成果，使得大规模生产人工合成蜘蛛丝成为可能。

从分类学的角度出发，这种人工合成的蜘蛛丝应属于再生蛋白质纤维。

目前，蜘蛛丝生产的方法有以下几种：

（1）牛、羊乳蜘蛛丝

利用生物技术、转基因技术使奶羊或奶牛与蜘蛛“联姻”，将蜘蛛的蛋白基因注入奶牛或奶羊，其产下的奶中就含有大量的柔软光滑的蜘蛛蛋白成分，这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可用来生产有“生物钢”之称的纤维。

据报道，加拿大一家生物技术公司已经成功地利用基因移植技术，使山羊生产的奶中含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。

用这种蛋白质生产的纤维，其强度是芳纶的3.5倍。

利用这种纤维，可织成强度很高的面料。

我国于近两年开始研究人工合成蜘蛛丝。

科学家们将蜘蛛丝蛋白基因注入到小白鼠身上，成功地培养了一批带有蜘蛛丝蛋白基因的老鼠，并从这些转基因鼠的乳汁中提取了蜘蛛丝蛋白。

不久将开始培育转基因奶牛，以达到大规模生产蜘蛛丝蛋白的目的。

（2）蚕吐蜘蛛丝

利用转基因技术，将蜘蛛丝的基因通过“电穿孔”的方法注入很小的蚕卵中，用蜘蛛丝基因取代蚕丝基因中的强度片段，从而在家蚕基因链中产生了部分蜘蛛丝基因。

中科院上海生命科学研究院运用转基因方法，在国际上首次实现了绿色荧光蛋白与蜘蛛丝基因的融合，获得了荧光茧——种高级的绿色环保材料。

（3）微生物合成蜘蛛丝

将蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生物，当微生物繁殖时，可产生大量的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。

科学家发现了一种细菌和一种酵母菌通过基因移植技术能够合成出类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。

（4）转基因植物合成蜘蛛丝

虽然利用转基因动物或培育转基因细菌能生产出蜘蛛丝，但使用转基因植物生产丝蛋白的成本更低。

将能生产蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植物，如谷物、花生、土豆和烟草等，通过大面积的种植，获取丝蛋白。

德国科学家已从蜘蛛体内提取出蜘蛛丝蛋白基因，并将它植入多种植物的基因组。

所培育出的转基因植物中，植株体内产生的丝蛋白含量超过了2%。

五、蜘蛛丝纤维的研究现状

现在国内外对蜘蛛丝的研究主要集中在两个方面：

首先是对蜘蛛丝的内在结构的研究，特别是研究和分析了产生蜘蛛丝优异力学性能的机理；其次是人工合成蜘蛛丝的新方法研究。

国内对蜘蛛丝的结构以及蜘蛛丝优异力学性能产生机理的研究较深入的主要是苏州大学的潘志娟、李春萍等，他们以大腹圆蛛牵引丝为研究对象，分析了蜘蛛丝的聚集态结构特征和形态结构特征，并在结构研究的基础上，探索和分析了蜘蛛丝优异的力学性能的形成机理，研究表明，蜘蛛丝具有原纤化和皮芯结构，其结晶度和取向度都很低，蜘蛛丝内可能含有分子排列介于结晶态和非结晶态的中间相。

原纤分析表明，蜘蛛丝优异的力学性能可能是原纤化结构、皮芯结构、内部的中间相以及无定型区共同作用的结果。

此外，他们还研究了蜘蛛丝的热学性能和一些物理性能。

安徽农业大学的王建平、彭卫平等利用SEM技术观察大腹圆蛛丝的形态。

研究发现：

大腹圆蛛丝的牵引丝是由单根、双根、三根、四根的单丝纤维组成，且这四种形态的牵引丝表面也有区别，其中包卵丝的伸长率，断裂强度与牵引丝相当，但包卵丝的刚性逊于牵引丝，大腹圆蛛的丝与其他种类的蜘蛛丝差异不大。

国外对蜘蛛丝的微细结构的研究也很多，S.F.Y.Li、MasayoshiKitagawaAugstenK.等分别利用AFM、SEM、TEM分析了NephiliaClavipes牵引丝的微细结构，发现了牵引丝的皮芯层结构特征。

F.Vollrath、Z.Z.Shao等利用TEM对Nephilia牵引丝的研究显示，这两种蜘蛛牵引丝截面内存在着不均匀性，纤维的芯层含有微小的伸展状的微管，这些微管可能对蜘蛛丝的力学性能有重要作用。

六、蜘蛛丝纤维的开发应用

蜘蛛丝纤维属于蛋白质纤维，具有许多其它纤维无法比拟的特性。

所以，在很多领域都有广泛的开发应用价值。

（1）纺织制品

蜘蛛丝弹性好、柔软，穿着舒适，是很好的纺织纤维。

利用基因技术将绿色荧光蛋白质与丝蛋白分子相融合生产出荧光丝，可与普通丝交织制成织物如服装、围巾、帽子等，在紫色、蓝色灯光下会发出荧光图案，成为全球时装展示会上最时尚的纺织面料。

（2）军事及民用防护领域

由于蜘蛛丝具备强度高、弹性好、柔软、质轻、断裂功大等优良性能，可以加工成防弹背心和防弹衣，也可以用于制造坦克和飞机的装甲，以及军事建筑物的“防弹衣”等，还可以用于复合材料和结构改性等方面。

此外，蜘蛛丝还可以加工成网具、轮胎、防护材料等。

（3）航天航空领域

蜘蛛丝的强度高，韧性大，有一定的热稳定性，可用于做降落伞布、降落伞索，这种降落伞重量轻、防缠绕、展开力强大、抗风性能佳，坚牢耐用。

蜘蛛丝还可用于织造太空服等高强度面料。

（4）医学领域

蜘蛛丝的优越性还在于它是天然的蛋白质纤维，与人体有很好的相容性。

目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应，因而可以通过转基因技术制成伤口封闭材料和生理组织工程材料，如人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱、组织修复、神经外科及眼科等手术的超细伤口缝线等产品，具有韧性好、可降解等特性。

①人造皮肤：

蜘蛛丝纤维的通透性与天然皮肤非常接近，具有比较发达的伸展性，非常适合未来的人造皮肤的要求。

②人工肌腱：

将磷酸等嵌入丝以后，丝纤维可以吸附到骨骼的晶体外层，而蜘蛛丝的高强度、良好的柔韧性以及可塑性，使其成为替代肌腱的理想材料。

③缝合线：

蜘蛛丝用作缝合线可使手术更精细，修复更完整，术后通过一定的方法使其降解并被人体吸收，无须再进行一次痛苦的拆线。

④人体角膜：

蜘蛛丝蛋白透明，可润湿，具有通透性，有可能利用它对人体角膜进行更换，以及利用其强弹性来调节眼睛，从而缓解或彻底解决近视对人类的困扰。

（5）建筑领域

可用做结构材料和复合材料，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，起增强作用。

可以代替混凝土中的钢筋，用于减轻建筑物自身的重量。

结论：

蜘蛛丝具有其它纤维无法比拟的性能特征,如同时具有高强度、可延伸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。

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