1.2 像钢一样的生物纤维
——蜘蛛丝

在千万年的自然演化中，蜘蛛丝是蜘蛛赖以生存的捕猎工具。众所周知，蜘蛛丝来源于蜘蛛。蜘蛛在体内形成丝浆，通过尾端细小的孔眼喷出这些丝浆。在空气中，这些丝浆快速凝结，形成具有黏性的细丝，并结成细密的网（图1-7）。飞虫一旦撞上就休想挣脱，最终沦为蜘蛛的猎物。这样的场景似乎在生活中十分常见，然而，纤细的蜘蛛丝实际上却蕴含着巨大的能量。

从1909年起，人们就已经开始把眼光投向蜘蛛丝的开发。天然蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，主要由甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸这三种具有小侧基的氨基酸构成，与蚕丝丝素的组成相近。这些结构较为规整的蛋白质使得蜘蛛丝拥有很高的强度。与蚕丝丝素相比，蜘蛛丝还具有更多的大侧链氨基酸，如脯氨酸和亮氨酸等。这些结构的氨基酸链段使得分子链发生不规则排列，从而提升蜘蛛丝的弹性。

经过大量研究，人们发现：蜘蛛丝无论是强度还是延展性和韧性，均大大高于现有绝大多数人造或天然纤维。单位重量蜘蛛丝的强度可达芳纶1414（Kevlar）纤维的3倍，钢材的5倍，弹性则为尼龙纤维的2倍。一根直径只有万分之一毫米的蜘蛛丝，可以拉伸两倍以上才会断。这种强度高、弹性好的组合特征是其他纤维难以超越的。

2009年9月，一种由超过一百万根野生蜘蛛丝制成的稀有纺织面料在纽约的美国自然历史博物馆展出。为了生产这种独特的金色面料，70人花了4年时间从马达加斯加的电线杆上收集金球蜘蛛，而另外12名工人则仔细地从每种蛛形纲动物身上提取了大约24 m长的丝线，由此获得的长度为3.35 m、宽度为1.22 m的纺织品是目前世界上唯一一块由天然蜘蛛丝制成的宽幅纺织面料（图1-8），并加工制得了金色的蜘蛛丝成衣（图1-9）。

由此可见，蜘蛛丝的获取并不是一件容易的事。蜘蛛不像家蚕那样易于驯养，且易发生同性相食，人工养殖实验一直未取得成功，单位面积蛛丝产量亦很低。随着现代生物工程发展，基因工程手段成为人工合成蜘蛛丝蛋白的突破口。加拿大和美国的研究中心成功从蜘蛛身上抽取出蜘蛛基因，植入其他动物体内，将细胞表达的丝蛋白经过特殊的纺丝程序，纺制出重量轻、强度高的人造蜘蛛丝纤维。用这种方法生产的人造蜘蛛丝性能虽略逊于天然蜘蛛丝，但强度仍可达到钢材的4～5倍，因此，被称为“生物钢”。经基因改造的家蚕所产的“蜘蛛丝”丝茧，如图1-10所示。由于人造蜘蛛丝的强度高于现有的商用高强度纤维，且具有蚕丝般的光泽和柔软的手感，一旦实现规模化生产，将成为制造手术用缝合线、人工韧带、高档贴身防弹衣、户外耐磨防护服、高强度复合材料的理想选择。

目前，像人造蜘蛛丝的应用主要有如下四个方面：

（1）军事材料

由于蜘蛛丝的强度大大高于芳纶，美国于21世纪初已成功地采用蜘蛛丝用来制造防弹背心。通过蛛种的筛选，可获得更为坚韧、轻便的蜘蛛丝，甚至能对环境温度产生自适应，并对伤口起到一定的医疗作用。我国也成功将蜘蛛丝蛋白基因转移到家蚕上，采用蛛丝——家蚕纤维作为新型防弹衣的材料。用蜘蛛丝制成的军用降落伞则具有量轻、展开力强、抗风性能好，坚固耐用的特点。

（2）服用材料

我国研发的蛛丝——家蚕纤维在紫外光照下会激发绿色荧光，将蛛丝——家蚕纤维与普通天然或化学纤维混纺制成织物后，荧光特性便可应用于安全防护、防伪、时尚设计等服用领域。

（3）高强复合材料

在建筑上，蜘蛛丝可代替混凝土中的钢筋，与其他基质材料复合后，应用于桥梁、高层建筑和一般民用建筑，保持建筑强度的同时，大大减轻建筑物自身的重量。通过改变基质材料的种类，采用蜘蛛丝加工的复合材料还可制造汽车板材、体育器械等产品。英国帝国理工学院成功研发了蜘蛛丝复合材料，并将其制成小提琴琴身（图1-11）。

（4）医用材料

蜘蛛丝的主要成分为蛋白质，因此，具有极好的生物相容性和生物可降解性，可用作高性能的生物材料，制成伤口封闭材料和生理组织工程材料，如人工关节、人造骨骼、人造肌腱、韧带、假肢、组织修复、神经外科及眼科等手术中的可降解超细伤口缝线等。欧盟5国发起的“蜘蛛人”的研究计划曾用蜘蛛丝制造人造组织，获得了650万欧元的政府资助。

不可否认的是，“生物钢”人造蜘蛛丝仍存在一定的问题。天然蜘蛛丝的纺丝过程为液晶纺丝，不但具有液体的流动性，同时具有分子排列的有序性，只需很小的作用力即可促使分子成纤，因此，天然蜘蛛丝的直径比第一代人造蜘蛛丝仍要小1～2个数量级。同时，天然蜘蛛丝所具有的皮芯层结构仍很难模仿。实现天然蜘蛛丝的1∶1复刻还需要付出较大的努力。

蜘蛛丝作为一种独特的生物材料，有着高强度、高弹性、可降解的卓越性能。随着现代科技飞速发展和生物技术的日趋成熟，蜘蛛丝的工业化生产极具潜力，届时将有望广泛应用于纺织、军事、建筑、医疗等各个领域，成为新一代高级生物材料。 PFUooN4ZLrw707iTUxAirf8VzDlGLDspZe2B241QEOUMdbhAhpprV5hNCv+N3sWK