超强蜘蛛丝的前世今生

古今中外的艺术创作中不乏蜘蛛丝的身影，无论是西游记里的蜘蛛精还是漫威宇宙中的蜘蛛侠，都凭借蜘蛛丝提高战斗力。而使这看起来纤细柔弱的蜘蛛丝脱颖而出的，却是它超强超韧的力学性能。随着材料科学的进步，超强蜘蛛丝逐渐从科幻走向现实。

超强蜘蛛丝

01

蜘蛛丝有多强？

蜘蛛丝是由腹部的腺体分泌的，如大囊状腺、小囊状腺、管状腺等。液体状态的丝蛋白就储存在这些不同的腺体中，当它们由腺体来到吐丝口时，就会形成固体状态的丝纤维，这就是我们看到的蜘蛛丝。这些腺体就像蜘蛛纺丝的“工厂”，可以形成不同功能的蜘蛛丝，比如可以粘住猎物的捕获丝、帮助蜘蛛脱离危险的牵引丝、保护蜘蛛卵的卵囊外丝等。因此，即便是同一张蜘蛛网上，也分布有性质不同、功能各异的蜘蛛丝，使蜘蛛在自然选择的过程中幸存下来。

圆网蜘蛛的丝腺分布及其分泌的不同蛛丝（来源：参考文献1）

蜘蛛丝的直径只有几微米，用细微、隐约、依稀来形容其柔若无物的状态是非常贴切的。然而，正是这若隐若现、随风而动的蜘蛛丝，却表现出了极优异的力学性能，并成为推动高性能合成纤维的灵感来源。人类对自然的观察和学习是自古就有的，中世纪的人们就已经在蜘蛛网捕捉猎物时所起的作用中发现了蜘蛛丝有别于其他天然纤维的高强度、高弹性和高韧性。如果从力学数据上进行直观对比，蜘蛛大囊状腺分泌的牵引丝（dragline silk）强度比高强尼龙和工业涤纶等高性能合成纤维更高。

等等，蜘蛛网一碰就破了，蜘蛛丝竟有这么强？要验证这份怀疑，我们需要树立这样一种观念，那就是不同腺体分泌的蜘蛛丝，强度差别很大啊！

蜘蛛起源于4亿年前的古生代泥盆纪，其进化史堪称蜘蛛丝腺、丝器和蛛丝的演化史，蛛丝参与蜘蛛的各个生命过程，如制造卵袋、结网、飞航、交配、逃生、传递信息以及捆缚食物等。可以说，蜘蛛因此才得以在生存竞争中脱颖而出。蜘蛛具有高度发达的丝腺，7种腺体分别连接于3对不同的纺丝器上，可分泌出不同的丝纤维。前面提到的媲美人造高性能纤维的正是由大囊状腺分泌的牵引丝，其高强度保证了蜘蛛的安全，因此被称为“蜘蛛的生命线”。

蜘蛛的生命线

02

蜘蛛丝为什么这么强？

蜘蛛丝的强度与其组成和结构有关。蜘蛛丝主要由蛛丝蛋白组成，经蜘蛛体内的复杂过程形成多层的纤维，由外到内包括脂层、糖蛋白层、表皮层、外核和内核。其中，表皮层起到防止内部蛋白质被酶分解的作用，保证纤维的完整性。而决定蜘蛛丝力学性能的关键是内核。

蜘蛛丝的组成结构

蜘蛛丝的内核主要是蛛丝蛋白，由不同种类和数量的氨基酸组成。如果甘氨酸含量高，则蜘蛛丝的弹性模量和拉伸强度都变大；如果脯氨酸含量高，那么弹性模量会降低。此外，蛋白质的分子量和长度也会影响其力学性能。

不仅如此，蛋白质链可不是直直的一条线，它自身会发生折叠形成二级结构，靠的就是氨基酸中的化学基团彼此形成的氢键作用。那么折叠成什么样子才能提高蜘蛛丝的强度呢？不得不说蜘蛛丝的神奇之处在于，蛋白质折叠后会形成晶体区，就像一张微型的渔网上的结点。在一根细小的蜘蛛丝内部，蛋白质形成的纳米渔网结构可以很好地保持蜘蛛丝纤维的弹性。同时，在有外力作用在纤维上时，“渔网”又会将力分散在整个网络中，不会集中在某一点，从而增强了蜘蛛丝的力学性能。

蜘蛛丝纤维的纳米渔网结构

03

模仿蜘蛛吐丝分几步？

不得不说，蜘蛛虽然不起眼，但它的生命智慧却给人们带来了灵感与启迪。那么，要成功模仿蜘蛛吐丝，需要几步？

首先，在了解了蜘蛛丝高强性能的原理基础上，可以模仿蜘蛛丝的组成来获得人工蜘蛛丝。这方面，利用基因工程和蛋白质工程的方法获得组成相近的人造蜘蛛丝最有发言权。当科研工作者们掌握了蜘蛛调控蛋白分泌的基因片段之后，便可以通过基因工程技术，将其导入微生物、植物或动物体内，利用这些生物生产相似的蛛丝蛋白。进一步以其为原料，借助纺丝工艺，模拟蜘蛛纺丝的过程，纤维拉伸取向，可以提高人造蜘蛛丝的强度。

有些科研人员独辟蹊径，让蚕吐出蜘蛛丝！近期，来自东华大学的科研人员利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中，在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。这些由蚕“生产”的蜘蛛丝蛋白纤维的韧性，比用于制作防弹衣的凯夫拉纤维高6倍！

让蚕吐出蛛丝，并非首创，但是各家自有秘而不宣的绝活。科研人员的这项成果的背后，有巧妙的设计，更有持之以恒。在这个实验中最重大的挑战之一便是将基因显微注射到蚕的受精卵中，而这个工作，研究人员做了数十万次。

但是这种方法多少有些复杂，能不能全部用人工材料做蜘蛛丝呢？当然可以，聚合物就是很好的备选，毕竟聚合物无论从分子量还是从化学组成来说，都可以模仿蜘蛛丝。用聚合物作为蜘蛛丝纤维的“纳米丝线”，用纳米粒子、石墨烯、碳纳米管、超分子等模拟“渔网结点”就可以模仿得到蜘蛛丝的纳米渔网结构。请看人工合成的聚合物“纳米渔网”是不是和蜘蛛蛋白挺像？纺成丝看看，别说，效果还不错！

仿蜘蛛丝的人工纤维，聚合物作网，绿色的环状超分子作结点，可以很好地提高纤维的强度（图片来源：参考文献6）

当人类脱离其他生物走向巅峰，往往会产生一览众山小的骄傲。然而，我们正是在适应自然、学习自然的过程中突破了种种壁垒。蜘蛛之于我们，犹如蚍蜉之于大树，但它却为我们获取高强材料提供了宝贵的灵感。或者这也告诉我们，无论何时，人与自然和谐相处，才是人间正道。

参考资料：

1.β‐Silks: Enhancing and Controlling Aggregation[J],Advances in Protein Chemistry,2006,73,17-53.

2.人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的研究进展. 纺织学报[J], 2021, 42, 174-179.

3.重组蛛丝蛋白的表达纯化及丝纤维的性能研究. 东华大学[D], 2022.

4.Spider Silk-Inspired Artificial Fibers[J]. Adv. Sci. 2022, 9, 2103965.

5.High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms [J]. Matter, 2023, 6, 3661–3683.

6.Artificial Spider Silk with Buckled Sheath by Nano-Pulley Combing [J]. Adv. Mater. 2023, 35, 2212112.

来源：蝌蚪五线谱

编辑：Chocobo

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号