蜘蛛丝材料.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划蜘蛛丝材料　　蜘蛛丝纤维　　蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，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科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。

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做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展　　蜘蛛丝的结构与性能　　蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β-折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在～　　之间非结晶区由甘氨酸、丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成，分子多呈α-螺旋状结构由丙氨酸组成的β-折叠和富含脯氨酸的α－螺旋，及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，从而赋予蛛丝很好的抗张强度和韧性蜘蛛拖丝抗拉力5×109Pa，断裂伸长率35％～50％，能大量吸收物体的高动能，其优越性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维不能比拟的　　蜘蛛丝有良好的耐高温、低温性能据报导,蜘蛛丝在300℃以上才变黄，开始分解；在零下40℃时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬。

在需要高温、低温使用的场合下蛛丝纤维的优点特别显著　　蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，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,另外蛛丝蛋白具有自装配行为，在器官移植和组织修复时可用来介导细胞和组织，或者它们相互之间的连接，以促进器官组织的复原　　由于蜘蛛丝本身的特性,决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用医疗卫生　　蜘蛛丝主要成分是蛋白质，人们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,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织,同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料　　蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水－空气界面的通透性与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、扩展、分化和生长作用丝基质还有机械诱导作用，通过调整丝基质的硬度，提供控制基质的最终机械特性来模仿天然机体组织的机械特性和支持宿主组织内生长，蛛丝蛋白是组织工程支架材料的有力竞争者。

　　军事　　蜘蛛丝强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能,尤其是具有吸收巨大能量的能力,非常适合防弹衣的制造,它可以阻挡子弹的侵入,使弹头或弹片击入人体内的危险降到最低程度可用来制成坦克、飞机、雷达、卫星以及军事建筑物的理想的防护罩；用于制成质量小、抗风性能好、坚固耐用的降落伞据报道,未来可能制成的高性能人工蜘蛛丝“蜘蛛网”,甚至可以拦截F－6战斗机在航空航天方面,可用作航天结构材料和织造航天服等蜘蛛丝的高吸能功能是以大变形为前提的，如果将蜘蛛丝用作防弹衣，弹丸对人体的贯穿性损伤和非贯穿性损伤均无法防御，因此要将蜘蛛丝应用于弹道防护产品，至少应与其他高强高模纤维合理搭配，形成合理结构美国陆军和麻省理工学院正在研究用蜘蛛丝制造一种全新的军装,这种军装不仅能成为士兵的防弹装甲,还可以自动适应不同温度环境,甚至能为生病或受伤的士兵起到一定的医疗作用　　蜘蛛丝的强度非常高,在拉断之前可以极大地延伸,因此是制造高强度纳米导线的理想材料研究还发现,用紫外激光脉冲能够均匀地缩减蜘蛛丝的直径,经几次缩减后,可把3～5μm直径的蜘蛛丝缩减到100nm左右,且不会降低蜘蛛丝的强度曾有德国某研究员将一种蜘蛛丝的直径减少到原来的二十分之一,将细蜘蛛丝缠在极细的导电金属丝上,可以得到强度极高的“纳米”导线。

用这种蜘蛛的丝制成的导线,不像目前的纳米导线那样脆弱,可以在任何地方使用专家认为，用蜘蛛丝制成的超细导线可能将会引起微型电子器件制造的一场革命　　高强度材料　　蜘蛛丝可用于结构材料、复合材料和宇航员装等高强度材料用蜘蛛丝编织成具有一定厚度的材料进行实验,可发现其强度比同样厚度的钢材高9倍,弹性比具有弹性的其它材料高2倍因此,对蜘蛛丝进行进一步加工,可用于织造车轮外胎、高强度的渔　　网等在建筑方面,蜘蛛丝可用做结构材料和复合材料,代替混凝土中的钢筋,应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等,可大大减轻建筑物自身的质量　　纺织制衣　　蜘蛛丝弹性好、柔软,而且穿着舒适蜘蛛“牵引丝”通过转基因的方法让普通春蚕“大批量”吐丝,这种转基因蚕丝在紫外光下会发出闪耀迷人的绿光,绿色荧光蛋白质是融合于丝蛋白质分子中的天然蛋白质,如果将荧光丝与普通丝交织成的织物制成服装、围巾、帽子,在紫色、蓝色灯光下发出荧光图案,其身价定会倍增中科院上海生命科学院生物化学与细胞生物学研究所科研人员首次在国际上实现了绿色荧光蛋白与蜘蛛牵引丝融合基因在家蚕丝基因中的插入,并获得了荧光茧,已正式获得了国家发明专利申请号　　结语　　21世纪是生物技术的时代，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　　天然蜘蛛丝仿生材料　　摘要采用仿生学原理,设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域.天然蜘蛛　　丝是一种生物蛋白弹性体纤维,具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高),为自然界产生最好的结构和功能材料之一,它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景.受自然界蜘蛛丝启发,天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇,同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法.本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展,并提出了一些看法和思考　　1．天然蜘蛛丝结构、功能及应用　　天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料,属于一种生物弹性体　　纤维,它是自然界产生最好的结构和功能材料之一.表1列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能,通过比较可以发现,天然蜘蛛丝优良的综合性能,特别是其高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能180MJ/m3为各材料中最高)是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。

　　此外,天然蜘蛛丝还显示出特别的扭转形状记忆效应,当它被扭转到其它准平衡位　　置时,由于高阻尼效应,它几乎不振荡,并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到其初始的状态,从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆正是由于天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应及生物相容性好等特性,因此,它在航空航天(如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料,宇航服装)、军事(如坦克装甲、防弹衣、降落伞)、建筑(如桥梁和高层建筑的结构材料)、医学(如人造关节、肌腱、韧带)等领域表现出广阔的应用前景.其实,早在l709年就出现了人类利用天然蜘蛛丝的记载,而且在第二次世界大战时,天然蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮瞄准系统等光学装置的十字准线.天然蜘蛛丝已吸引了世界各国科学家的巨大兴趣和广泛关注　　2．天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料　　由于蜘蛛属肉食性动物不喜欢群居,当几只蜘蛛被放在一起时,它们之间往往会相　　互撕咬,所以难以像养家蚕那样大量饲养蜘蛛;而且,蜘蛛本身存在很多丝腺器,不同腺器产生的丝性能不同,很难收集性能单一的丝此外,天然蜘蛛丝还难以直接加工成其它特定形状以供不同用途所需由于以上原因,天然蜘蛛丝自身很难批量生产,其应用范围也受到了很大限制,因此需要寻求新的方法和途径,以大量获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料.因此利用仿生学原理,在认识天然蜘蛛丝结构和功能的基础上,设计、制备天然蜘蛛丝仿生材料,具有重大的科学意义和应用价值。

　　2.1蛋白基因仿生生物表达法　　20世纪90年代初,Lewis等首先报道了源于Nephilaclavipes蜘蛛丝蛋白两种序　　列(分别被称为MaSp1和MaSp2)的部分DNA片段,由此揭开了天然蜘蛛丝蛋白基因与结构研究的序幕.在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上,科学家们开始采用生物表达的方法,即先构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因,然后采用生物工程技术手段,将这些蛋白基因寄托于某种生物载体(如细菌、酵母、植物、哺乳动物、昆虫等)进行表达并生产,从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料,最后,将这些仿生蛋白原料加工成所需要的形态(如纤维)进行利用(如NexiaBiotechnologies公司通过哺乳动物表达生产蛋白质,经过特殊的“纺线程序”,纺出了重量轻、强度高的纤维,称之为“生物钢”)利用蛋白基因仿生生物表达法制　　备天然蜘蛛丝仿生材料研究得最多,技术较成熟,在一定程度上解决了天然蜘蛛丝难以　　批量生产的问题,同时也拓展了天然蜘蛛丝的应用范围,从而大大促进了天然蜘蛛丝仿　　生材料的发展.但寻找一个合适的生物载体完全表达天然蜘蛛丝的系列重复结构,还是　　一个巨大挑战.该方法由于只能模拟天然蜘蛛丝蛋白的部分基因结构,因此所获天然蜘　　蛛丝仿生材料的综合性能通常比天然蜘蛛丝差,并且材料分离纯化较复杂,成本仍较高,　　生产周期也较长,产量还较小。

　　2.2链段及二次结构仿生化学合成法　　研究发现,天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元(主要为丙氨酸和甘氨　　酸单元)组成的链段共聚物,其二次结构主要包括β折叠构象和螺旋构象丙氨酸富集的　　链段易于形成β折叠构象,β折叠链通过氢键作用堆砌形成β折叠片纳米晶分散在材料　　中,从而提高天然蜘蛛丝的强度;而6601高等学校化学学报Vol.31甘氨酸富集的链段易于形成螺旋构象,赋予天然蜘蛛丝优良的弹性基于对天然蜘　　蛛丝蛋白链段结构和二次结构的认识,人们采用化学合成的方法,即模仿天然蜘蛛丝的　　链段结构和二次结构,采用化学合成手段,在分子主链或侧链中引入β折叠片[如聚　　(丙氨酸2甘氨酸)、聚丙氨酸链段。