蜘蛛絲的應(yīng)用及合成

1、蜘蛛絲的應(yīng)用及合成1蜘蛛絲結(jié)構(gòu)特性 蜘蛛絲主要由甘氨酸，丙氨酸及小部分的絲氨酸加上其它氨基酸單體分子聚合而成。其分子鏈中有晶區(qū)和無定形區(qū)。晶區(qū)分子高度取向，結(jié)晶區(qū)被無 定形區(qū)分開并占一定體積 ，是其具有高強(qiáng)度 、高 韌 度 、高 粘 彈 性 的 基 礎(chǔ) ；無定形區(qū)結(jié)構(gòu)分子鏈能形成伸展的聚合玻 璃 態(tài) ，這是蛛絲具有高彈性 、高平衡 阻滯能力的原 因 。2蜘蛛絲的應(yīng)用 蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其理化性質(zhì)與蠶絲相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，在力學(xué)強(qiáng)度方面，蜘蛛絲纖維與強(qiáng)度最高的碳纖維及高強(qiáng)合纖Aramid、Kelve，等強(qiáng)度相接近，但它的韌性明顯優(yōu)于上述幾種纖維。因此，蜘蛛絲纖維在國(guó)防、軍事（防彈衣）、

2、醫(yī)療、建筑、紡織等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景33在軍事方面 人造基因蜘蛛絲，也稱生物鋼，它比普通鋼強(qiáng)4至5倍，而且具有如蠶絲般的柔軟和光澤，可用于制造高級(jí)防彈衣，讓我們對(duì)比一下，軍隊(duì)目前的防彈衣是用13層Kevlar 制成的，令人吃驚的是，蛛絲的堅(jiān)韌性是Kevlar 織品的3倍!其超級(jí)伸長(zhǎng)能力使它斷裂時(shí)需要吸收更多的能量，理論上可以使射彈更有效地減速。把它用于防彈衣，會(huì)起到極好的消力作用，對(duì)破碎作用是一種很大的障礙。 生物鋼的用途廣泛，還能制造戰(zhàn)斗飛行器、坦克、雷達(dá)、衛(wèi)星等裝備的防護(hù)罩等。45 在大片蜘蛛俠中，主人公彼得帕克被一只經(jīng)過基因?qū)嶒?yàn)改造的蜘蛛咬 傷后，具有了不可思議的超人力量。身穿蜘蛛服的

3、彼得，靠一根蛛絲，在摩天大 樓的墻壁上疾速飛馳，為了保護(hù)城市的安全與“綠惡魔”殊死搏斗，最終成為救 人于危難的超級(jí)英雄。 然而，這種電腦創(chuàng)造的科幻技術(shù)目前正在被美軍一步步變成現(xiàn)實(shí)。據(jù)悉，美 軍目前正在用新技術(shù)打造像“蜘蛛俠”一樣的“戰(zhàn)爭(zhēng)超人”。美軍宣稱，不久的 將來，美軍的士兵們將會(huì)穿著蜘蛛絲制成的戰(zhàn)斗服參加戰(zhàn)斗，這種戰(zhàn)斗服既輕便 又靈活，同時(shí)還可以防彈。 6用于航天材料 目前，科學(xué)家表示，蜘蛛絲噴涂石墨烯和碳納米管微粒將具有超強(qiáng)韌性，甚至未來這種材料可用于捕獲空中墜落飛機(jī)。制造輕便的航天服開發(fā)輕便耐極端條件的航天材料7 在紡織方面 英國(guó)藝術(shù)家Simon Peers 花了5年時(shí)間使用蜘蛛絲紡成

4、的一塊布。目前這玩意正在紐約美國(guó)自然歷史博物館上展出。它長(zhǎng)3.35米，一共花費(fèi)30w英鎊。據(jù)說所有的絲提取自100多萬只馬達(dá)加斯加島golden orb 雌性蜘蛛。8在醫(yī)學(xué)醫(yī)療方面 蜘蛛絲的優(yōu)越性還在于它是蛋白質(zhì)纖維，與人體具有“兼容性”。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到具有蜘蛛絲特點(diǎn)的“生物鋼”制成人工關(guān)節(jié)、韌帶、人類使用的假肢、人造肌腱等產(chǎn)品，具有韌性好、可降解等特性。蜘蛛絲在醫(yī)學(xué)和醫(yī)療方面有廣泛用途。9在建筑方面 蜘蛛絲的強(qiáng)度高，韌性大和一定的熱穩(wěn)定性，在極高溫度下才會(huì)分解，因此蜘蛛絲可用于結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料等高強(qiáng)度材料。在建筑方面，蜘蛛絲可用做結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料，代替混凝土中的鋼筋，應(yīng)用于橋梁、高層

5、建筑和民用建筑等，可大大減輕建筑物自身的重量，還可以抗震。10電子領(lǐng)域 其半晶體結(jié)構(gòu)可以發(fā)展生物半導(dǎo)體技術(shù)，其穩(wěn)定的室間構(gòu)象和在一定條件下可逆的自裝配行為可作為生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)良材料。11蜘蛛絲的合成技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)生產(chǎn)蜘蛛絲已成為可能。人們?cè)讷@取蜘蛛絲蛋白基因后，利用已清楚的氨基酸重復(fù)序列信息，人工合成其類似基因 片段， 通過微生物、動(dòng)物、植物等途徑表達(dá)蜘蛛絲蛋白后進(jìn)行溶液紡絲，以獲取蜘蛛絲纖維。12微生物途徑 將蜘蛛基因轉(zhuǎn)入微生物中，通過微生物的分裂繁殖來達(dá)到生產(chǎn)具有蜘蛛絲特性的纖維，該方法成本低，生產(chǎn)效率高。如將產(chǎn)絲的蜘蛛基因植入細(xì)菌中，產(chǎn)絲基因演變成獨(dú)立的細(xì)菌，進(jìn)行幾百萬次

6、繁殖生產(chǎn)出絲。這種細(xì)菌的出現(xiàn)，不但降低了產(chǎn)絲的成本，而且還會(huì)提高絲的質(zhì)量。13動(dòng)物途徑 在某些哺乳動(dòng)物如山羊、奶牛等動(dòng)物體內(nèi)注入蜘蛛基因之后，從所產(chǎn)的乳液中可提取一種特殊的蛋白質(zhì)，這種含有蜘蛛絲基因的蛋白質(zhì)可用來生產(chǎn)蜘蛛絲纖維。 加拿大研究人員發(fā)現(xiàn)山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛的絲蛋白生成模式是一樣的，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，把蜘蛛絲牽引絲基因轉(zhuǎn)移到山羊乳腺細(xì)胞中，從山羊的乳液提取出類似蜘蛛絲的可溶性蛋白，生產(chǎn)高性能蛋白纖維，開發(fā)出新一代動(dòng)物纖維材料，實(shí)驗(yàn)證明這種新的輕型纖維材料強(qiáng)度比鋼材更高，而彈性十分好。14植物途徑 將蜘蛛絲基因移植入植物，培育出能夠產(chǎn)生絲蛋白的轉(zhuǎn)基因植物。該方法是將蜘蛛體內(nèi)絲蛋白

7、基因注入土豆和煙草等植物中，以使這些植物在它們的組織中制造大量的絲蛋白，通過植物大面積的種植，獲取絲蛋白。提取這類植物中的類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)，用作紡紗的原料。用所得到的植物蛋白質(zhì)進(jìn)行紡絲，這種絲可制織具有超強(qiáng)韌性的工程材料及能自行分解的化學(xué)織物，減少了對(duì)環(huán)境的污染，成本可能還要低廉。因此成功地培育出能夠生產(chǎn)絲蛋白的轉(zhuǎn)基因植物，將大量制取絲蛋白開辟新途徑。15“蠶吐絲”途徑 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將蜘蛛“牽引絲”部分的基因通過“電穿孔”的方法注入蠶卵中，在家蠶的基因重鏈中就產(chǎn)生部分蜘蛛牽引絲的基因。從而使蠶絲的易折皺變形、彈性小等性能得到改進(jìn)。中科院上海生命科學(xué)研究院6用轉(zhuǎn)基因方法，在國(guó)際上首次

8、實(shí)現(xiàn)了綠色熒光蛋白與蜘蛛絲融合基因在家蠶絲基因中的插入，并獲得了熒光繭一種高級(jí)的綠色環(huán)保材料。16市場(chǎng)需求醫(yī)用纖維生產(chǎn)商Acordis特種纖維公司與Nexia生物技術(shù)公司擴(kuò)大了合作協(xié)議,以開發(fā)用于Nexia的蜘蛛絲生產(chǎn)BioSteel纖維紡絲工藝。 由于其高性能(韌性、強(qiáng)度、輕)與生物降解性的獨(dú)特結(jié)合,蜘蛛絲一直受到科學(xué)家的推崇。Nexia一直將BioSteel-M的開發(fā)重點(diǎn)放在醫(yī)療裝置上,因其代表高價(jià)值及廣大的市場(chǎng)。目前，據(jù)說生產(chǎn)這種仿蜘蛛絲的費(fèi)用可降低到每公斤50美元以下，而蠶絲的平均生產(chǎn)費(fèi)用也要每公斤26-33美元。17用戶需求1.防蜘蛛絲纖維仍具有可降解能力，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。2.用

9、于軍事、航天、醫(yī)療、建筑等方面的放蛛絲材料的降解條件應(yīng)較苛刻，不能產(chǎn)生安全隱患。3.仿蛛絲纖維制成的服裝應(yīng)耐臟。4.放蛛絲衣服應(yīng)耐洗滌，不變形。5.仿蛛絲衣服除了具有一般蠶絲衣服的特性外，還能根據(jù)環(huán)境溫度自行調(diào)節(jié)，起到冬暖夏涼的效果。6.在軍事方面，仿蛛絲纖維防彈衣也能起到調(diào)節(jié)冬暖夏涼的效果。7.蛛絲制成的戰(zhàn)甲可以抵抗艱苦的環(huán)境，比如可以在水底呼吸，在高海拔地帶提供氧氣等。188.蛛絲作戰(zhàn)服具有紅外探測(cè)、生化傳感器、日夜視頻相機(jī)等功能。9.蛛絲作戰(zhàn)服具有生物傳感器的作用，可以探測(cè)士兵的心跳、血壓等，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)時(shí)刻刻在身邊的私人醫(yī)生。10.在電子領(lǐng)域，仿蛛絲作為良好的生物半導(dǎo)體，用于計(jì)算機(jī)材料

10、，更加輕便。11.在醫(yī)療方面，與人體有很好的兼容性，可作為很好的生物的材料。12作為建筑材料，可以調(diào)節(jié)居室的溫度、濕度、以及空氣清新度。13作為建筑材料，具有優(yōu)良的抗震性能。14.時(shí)刻監(jiān)視建筑內(nèi)外，保障社區(qū)安全。1915.在航天方面，鬧高溫，耐極寒。16.航天服輕便舒適。17.航天材料強(qiáng)度高，質(zhì)量輕。18.航天材料同樣應(yīng)具有紅外探測(cè)及衛(wèi)星遙感技術(shù)。20方案分類輕便舒適。（16.17）具有具有調(diào)節(jié)溫度的作用，即冬暖夏涼。（4，5，6，12）紅外探測(cè)功能。（8，9，14）在極端條件下不影響性能。（7，15）提供氧氣。（7，12）具有疏水抗壓性能。（3，4）特定條件下才能降解。（2）21方案篩選選擇依據(jù)權(quán)重ABCDEFG市場(chǎng)需求性0.46996947科學(xué)成熟性0.45955557工程