中国棉纺织行业协会

　　摘要：文章简要介绍了蜘蛛丝的性能，概述了国内外利用转基因技术人工合成蜘蛛丝纤维的几种方法和途径，阐述了其应用和发展前景。
关键词：蜘蛛丝；转基因技术；性能；应用

蜘蛛丝是大自然几亿年进化中创造的奇迹，具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂功能，以及轻盈、耐紫外线、生物可降解等优点，是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。蜘蛛丝以其优良的性能吸引着世界各国科学家的兴趣和关注，近年来美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国先后对蜘蛛丝进行了深入的研究，利用基因和蛋白质测定技术解开了蜘蛛丝奥妙，在蜘蛛丝人工生产方面取得了突破性进展。
随着基因工程技术以及生物材料技术的迅猛发展，不久的将来，蜘蛛丝将会象蚕丝那样大规模地开发和利用，在科技、国防、工业等领域得到重要应用。

1 蜘蛛丝的性能
蜘蛛丝物理密度1．34 g／cm，与蚕丝和羊毛相近。蜘蛛丝光滑闪亮、耐紫外线性能强，而且较耐高温和低温。热分析表明，蜘蛛丝在200℃以下表现热稳定性，300℃以上才黄变。而蚕丝在110℃以下表现热稳定性，140℃就开始变黄。蜘蛛丝具有特殊的溶解特性，它所显示的橙黄色遇碱加深遇酸褪色，它不溶于稀酸、稀碱，仅溶于浓硫酸、溴化钾、甲酸等，并且抗大部分水解蛋白酶。蜘蛛丝在水中有相当大的溶胀性，纵向有明显的收缩。在加热时，能微溶于乙醇中。由于蜘蛛丝的构造材料几乎完全是蛋白质，所以它是生物可溶的，并可以生物降解和回收。
蜘蛛丝是自然界产生的最好的结构材料之一，蜘蛛丝的优良综合性能是各种天然纤维与合成纤维所无法比拟的，迄今为止人类还无法生产出象它那样具有超强度和弹性极强的化合物。其比模量优于钢而韧性优于Kevlar纤维作为优异的能量吸收纤维，它被认为是用作降落伞、防弹衣的理想材料。蜘蛛丝尤其是它的牵引丝在力学性能上具有蚕丝及一般的合成纤维所无法比拟的突出优势。在强度方面，它与制作防弹衣的Kevlar纤维相似，但其断裂功却是Kevlar的1．5倍，其牢度是钢的1倍，初始模量比尼龙大得多，达到Kevlar纤维的高强高模水平。蜘蛛丝的断裂伸长率达36％～50％，而Kelvar纤维只有2％～5 9／6，因而具有吸收巨大能量的性能。在粘弹性能方面，蜘蛛丝高于尼龙及Kevlar纤维。蜘蛛丝的重量比化学合成丝轻25 9／6，弹性却可延伸到原来的10倍。蜘蛛丝的另一重要特性是它的耐低温性能。据报导，蜘蛛丝在一40℃时仍有弹性，只有在更低的温度下才变硬，在需要低温使用的场合，这种纤维的优点特别显著。因此，蜘蛛丝具有高强度、弹性好、初始模量大、断裂功高等特性，是一种十分优异的材料。

2 蜘蛛丝的人工生产
蜘蛛丝具有十分优良的性能，因此先得到这种蛋白质或类似的蛋白质，再进行纺丝，制备人造蜘蛛丝，都是材料科学家长久以来的梦想。
2．1 微生物植物吐丝
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蛋白质，再把这种蛋白质从微孔中挤出，就可得到极细的丝线。这种细菌的繁殖工厂一旦成功建立，将对纺织服装业产生革命性变革。然而由于种种原因，这种方法迄今没有成功，主要因为制成的蛋白质水溶性很小，只能溶于甲酸，并需加入六氟异丙醇为稀释剂，不能用水作溶剂进一步加工。
2．2 牛羊乳蜘蛛丝
加拿大Nexia生物技术公司(NXB)试验了另一种方法，他们将蜘蛛丝基因注入山羊卵细胞中，制备了重组的蜘蛛丝蛋白质，并用这种蛋白质与水体系完成了环境友好纺丝过程，由于本质上更接近于天然蜘蛛丝蛋白质的组成和纺丝过程，从而成功模仿了蜘蛛，于2002年1月生产出世界上首例“人工蜘蛛丝”。
Nexia公司与美国陆军战士生物化学指挥部(SBCCOM)的科学家合作，采用金色圆网蜘蛛和十字圆蛛，作为基因的来源对哺乳动物的两种细胞进行了转基因处理。将蜘蛛丝基因注入山羊卵细胞中，这种转基因山羊羊乳中蛋白质的结构与性能都完全仿真于蜘蛛丝蛋白质。重组蜘蛛丝蛋白质的纯度最高可达70％～90％，纺丝水溶液的质量浓度为2．8 9／6～28％(质量／体积)，所纺纤维直径为8～40 gm。纺丝采用的是一台特制的微纺丝机，是由Harvard Apparatus公司生产的样机，纺丝液溶剂的体积是0．5 ml，内径仅5 mm。纺丝头用PEEK的HPLC管(Sigma—Aldrich产品)代用，长度6 cm，内径0．125mm，纺丝液由一台微型往复泵驱动，这台微纺丝机最少采用25μl纺丝液就可以工作，泵的流速为2～10μl／min，凝固浴组成为70％～80％的甲醇水溶液，初生丝第一次拉伸直接在凝固浴中进行，如有需要可在水浴中进行第二次拉伸，拉伸后在空气中干燥。
第一代的BioSteel直径比天然蜘蛛丝大1～2个数量级，据报道电纺蜘蛛丝可以达到真正的蜘蛛丝的细度。而天然蜘蛛丝具有皮芯层结构，目前看来很难模仿。BioSteel生产与蜘蛛纺丝过程最大的差别还在于后者是液晶纺丝，在蜘蛛的丝腺中，可区分出长度不同的蛋白质，其分子质量分别为120、150、190、250 ku和750 ku，浓度高达30％～50％，具有酸性，且成为液晶态的溶液。液晶的特征是粘度很低，只需很小的力即可发生形变，而成为丝状，这也正是蜘蛛丝器的精巧之关键。看来，人类还需经过较大的努力，才能真正模仿蜘蛛，实现大规模的绿色高性能纤维生产。
Nexia公司科学家研究初期所用的哺乳动物细胞取自乳牛，但是现在他们发现，采用山羊进行转基因处理更为有利。山羊有70000个基因，他们用转基因工程的方法使山羊携带了一个蜘蛛丝的基因。2002年1月，Nexia正式宣布，有两头这样的“BioSteel山羊”诞生，并被分别命名为webster和Peter。Nexia专利技术的基础是蜘蛛丝的丝腺与山羊乳腺的细胞在解剖上有某种相似性，因而在差异极大的两种动物中的柱状上皮细胞都可以大量制造水溶性的复杂的蛋白质大分子。原则上可以用乳牛实现。Nexia的技术，但是山羊生长更快、更容易。至2002年6月，Nexia和美国军方合作，已经繁殖出150头转基因山羊，饲养在纽约州P1attsbtlrgh的一个前空军基地，并正加速发展。对牛乳和羊乳采用环境友好的加工，可以生产出极高性能的纤维，这在10年前均认为只是一种幻想，今天，人造蜘蛛丝已经问世，成为当代材料科学的一大奇迹。
美国、中国等国家分别采用奶牛、仓鼠作为表达体也进行了此方面的研究。
2．3 蚕吐蜘蛛丝
此法利用转基因技术中“电穿孔”的方法，将蜘蛛牵引丝部分的基因注入只有半粒芝麻大的蚕卵中，使培育出来的家蚕分泌出含有牵引丝蛋白的蜘蛛丝。上海生化研究所的科技人员用此法历经数年攻关解决了转基因蚕基因导入、活性基因鉴定及传代育种等一系列技术难题，此研究被列为国家“863”计划重点项目，目前正在进行。

3 蜘蛛丝的应用
蜘蛛丝因其特殊而优良的性能，在许多领域有着重要的应用。
3．1 军事
蜘蛛丝强度大、弹性好、柔软、质轻，尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常适合防弹衣的制造，用蜘蛛丝做的防弹背心比用芳纶做的性能还好。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。蜘蛛丝还可用于织造降落伞绸，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。
3．2 航空航天
可用于结构材料、复合材料和宇航服装等高强度材料。
3．3 医疗卫生
在医学和保健方面，尤其有广泛用途。由于蜘蛛丝是天然产品，又由蛋白质组成，和人体有良好的相容性，因而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产品，具有韧性好、可降解等特性。
3．4 建筑
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。

4 结语
200多年来，人们对应用蜘蛛丝一直兴趣甚浓，然而科学家却在近十几年间，利用基因和蛋白质测定等新技术，才使蜘蛛丝的奥秘得以破译。人造蜘蛛丝的问世，是人类向大自然学习的结果，也是当代材料科学的一大奇迹。随着现代科技的飞速发展，蜘蛛丝人工制造与工业化应用研究在不断深入和扩展，其产业化生产技术也日趋成熟，使蜘蛛丝无法象蚕丝那样大量生产的历史宣告结束，蜘蛛丝将广泛应用于纺织服装业、军事、医疗、航空航天、建筑与汽车工业等各个领域，成为新一代高级生物材料。