粗蜘蛛丝(目前蜘蛛丝开发与发展介绍)

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一、简介

蜘蛛丝是多种极其特殊的氨基酸所构成的蛋白质纤维，具有超强的韧性与抗断裂机能，又同时具有质轻、抗UV与生物可分解等特点，制成纤维后可应用在科技、国防、医疗等领域。其优异的物理性质是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的。因而引起了世界各国科学家的兴趣与关注蜘蛛丝的主要成分为蛋白质，和羊毛与蚕丝的构造相似。蚕丝也是由各种氨基酸所构成的蛋白质纤维，主要的成分是丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸和酪氨酸等四种氨基酸所组成。丝质材料的主成分是丙氨酸。不过科学家发现蜘蛛丝是由多种胺基酸组成的，这些胺基酸包括：谷氨酸盐、丝氨酸、白氨酸、脯氨酸和酪氨酸等等，大约有17种左右。在物理性质方面，蜘蛛丝的密度为1.34左右，和羊毛与蚕丝等蛋白质纤维相近。除了外观闪亮有光泽外，也具有抗紫外线与耐热的特性，蚕丝在140℃便会产生黄化的现象，而蜘蛛丝在200℃以下时则表现出优良的热稳定性，超过300℃时采会呈现黄变的情况。

由于蜘蛛丝的构造几乎全部都是蛋白质，故有生物分解与回收等优点，不会对环境造成污染，且符合可持续发展的要求。在力学方面，科学家们还对蜘蛛丝的圆周丝的初始模量、应力应变进行了测试。蜘蛛网圆周丝的初始模量明显高于Nylon6，比起高强力的芳香族聚酰胺纤维低，但圆周丝在蜘蛛丝中不是强度最好的一种。值得一提的是高强力的芳香族聚酰胺纤维的断裂伸长只有2.5~3%，而蜘蛛丝是36~50%。因此才具有吸收庞大能量的特性。蜘蛛丝除了拥有耐热的特性以外，同时也有极其优异的耐低温性能。据测试，蜘蛛丝在摄氏零下40度时仍具有弹性，只有在更低的温度下才变硬，故有需求在低温的场合使用时，也可使用此种纤维。

二、蜘蛛丝与其它纤维的机械性质比较表

项目 强度(GPa) 延伸率(%) 刚性(GPa)

蜘蛛丝（曳引丝） 0.7-2.3 36-50 9.5-30

蜘蛛丝（胶丝） 0.1-0.5 ≦300 ≦1

蚕丝 0.6 14 6

工业用聚酯纤维 1.1 12-16 19.3

高强度尼龙 1.0 20 4

芳香族聚酰胺纤维（Kevlar）3.2 2.5-3 127.7

碳纤维 3.0 1.8-2.2 300

Zylon（PBO） 5.5 3.5 273.8

美国乔治大学昆虫学家罗斯女士曾说，蜘蛛丝是一种超级纤维，在高温与低温时非常稳定粗蜘蛛丝，在一定条件下甚至还具有导电的性质。某些蜘蛛牵引丝的细度甚至达到「纳米」的等级，蜘蛛丝素材绳索强度则是同样粗细钢丝的好几倍。也有人估算若将蜘蛛丝集中为铅笔般的粗细，可以拉住一架正在飞行的喷射式客机。

三、蜘蛛丝的人工生产方式

人们在最初使用养殖蜘蛛时遭遇到障碍是蜘蛛很难养殖，而且在群居时会互相残杀。科学家们思考应该先研究取得这种类似蜘蛛丝成分的蛋白质，再进行纺丝。研究出蜘蛛丝的制备方法，长久以来都是科学家的梦想。近年来随着生物技术的发展和科学家对蜘蛛吐丝原理的深入研究，蜘蛛丝人工生产的方法有了突破性进展。一般说来有以下四种方式：

1.牛羊乳蜘蛛丝法

加拿大的一家Nexia生技公司已宣布研发成功，办法是运用生物技术将蜘蛛丝的基因注入母山羊的卵细胞中，这种方式所得到的蜘蛛丝蛋白质纯度可高达70-90％，是世界上最先发展出来的「人工蜘蛛丝」。这种羊奶中含有经基因重组的蛋白质制程纤维后，其强度比Kevlar高3.5倍左右。

2.微生物植物吐丝法

此法是将蜘蛛丝基因转移到细菌、酵母或植物上，通过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝的蛋白质，由纺嘴挤出，即可得到仿蜘蛛丝的丝线。

3.利用植物来生产蜘蛛丝蛋白质法

此种方法是将能蜘蛛丝蛋白的基因移植给花生、烟草和谷物等植物，使植物能大量生产近似于蜘蛛丝成分的蛋白质原料。

4.利用蚕吐蜘蛛丝法

此法也利用生化技术中的「电穿孔」法，将蜘蛛丝的基因注入蚕卵之中，使养殖出来的家蚕分泌出含有蜘蛛丝蛋白质的蚕丝。此研究被中国列为重点的研究项目。

四、 结论

蜘蛛丝有吸收巨大能量的能力，同时又有耐高温、低温与抗紫外线的特性，可广泛应用在军事（防弹衣）、航空航天（结构材料、复合材料和宇航服装）、建筑（桥梁、高层建筑和民用建筑），加上它又是由蛋白质所组成，和人体有良好的兼容性与生物分解性，因而可用作医疗材料粗蜘蛛丝，如人工筋腱、人工韧带、人工器官、医疗缝合线、人工韧带、人工皮肤等外科植入材料等。可以预期的是，蜘蛛丝是一种新兴的生物纤维材料，有惊人的性质，随着现代科技飞速发展和生物技术的日趋成熟，相信蜘蛛丝的工业生产会在不久的将来得到实现，成为新的高级材料。

许红恩

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