向蜘蛛拜师学艺：苏州大学团队用普通化工原料编织超强纤维｜光锥读论文

11月29日，《Nature Communications》发布了一项来自苏州大学的仿生材料的重要研究，题为Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties，通过湿法纺丝技术，以蜘蛛丝的多级有序结构为灵感，团队制备出具有蜘蛛丝般优异性能的水凝胶纤维。论文通讯作者为苏州大学现代丝绸国家工程实验室汪晓巧教授。

为何要模仿蜘蛛丝？

蜘蛛丝并非只是一种结网的丝线，而是亿万年来进化出的精密工程材料。它既坚韧又强韧，还能弹性恢复，甚至能感知湿度变化而收缩。

这些超凡特性源自蛛丝的多级有序结构，在显微镜下，蜘蛛丝蛋白形成一种精妙的钢筋混凝土式结构：

1. 坚硬的β-片层纳米晶体（像钢筋）：通过氢键紧密排列，提供强度和刚度。

2. 柔软的蛋白质无序区（像混凝土）：赋予纤维弹性和延展性。

3. 纳米团簇与取向的微纤：形成多级能量耗散机制，在受冲击时通过多层级结构逐步化解外力，避免瞬间断裂。

这些特性使其成为理想的仿生模板。然而，如何用人工材料和经济的方法复刻这种复杂结构，尤其是通过可规模化的纤维制造工艺来实现，一直是巨大的挑战。

a：天然蜘蛛丝拥有精妙的多级结构，是性能奇迹的蓝图；b：研究人员模仿这一过程，通过“湿法纺丝”形成初生纤维，再经“后拉伸”进行结构编程

从蜘蛛吐丝到实验室纺丝

苏州大学的团队在深刻理解了蜘蛛丝的结构后，以其为灵感来源，成功开发出可操作的化学与工程策略。

关键仿生策略一：用氢键网络模拟“自然钢筋”

蜘蛛丝依靠氢键形成坚固的β-片层晶体。团队选择两种富含氢键基团的高分子——聚丙烯酸钠（PANa，含羧酸根）和聚丙烯酰胺（PAM，含酰胺基）。当它们在特定条件下混合时，羧酸与酰胺之间会形成密集的氢键网络，自发组装成纳米团簇。这就像用化学方法在材料内部构建了无数微小的“乐高连接点”。

通过精确调控纺丝胶体的酸碱度（pH值），他们控制了羧酸基团的质子化状态。在pH=4.1的微酸环境下，氢键形成最为理想，纳米团簇尺寸均匀（约50-100纳米），分布致密，为材料提供了最优的强化节点。

通过精确调控纺丝溶剂的种类、两种高分子（PANa和PAM）的配比以及溶液的酸碱度（pH），研究人员可以控制纤维内部纳米结构的形成，从而定制不同性能的纤维

关键仿生策略二：用应变编程实现分子排列

蜘蛛在吐丝后，会用腿对丝进行拉伸，这个过程叫“牵伸”，能使杂乱的高分子链高度取向排列，这是蜘蛛丝获得高强度和高模量的关键。研究团队模仿这一生物过程，在纤维成型后，对其进行可控的预拉伸（100%-400%），并在一定湿度下固定这种拉伸状态。

预拉伸不仅使高分子链沿着纤维轴方向排列，还促进了氢键网络的重组和取向结晶的形成。经过400%预拉伸的纤维，在X射线下显示出高度的分子有序性，其结晶形态与蜘蛛丝中的β-片层晶体在功能上异曲同工。

对初生纤维进行不同比例的预拉伸，会引发其内部结构的多级演化

性能媲美天然蜘蛛丝

经过上述仿生设计与精密调控，最终得到的PANa-PAM水凝胶纤维（PANa-PAM-400%）展现出令人惊叹的综合性能：

力学性能：韧性达118.7 MJ/m³，抗拉强度172.3 MPa，能从50%的拉伸中完全弹性恢复。一根比头发丝稍粗的纤维（约0.5 mm²截面）能稳稳悬挂1公斤重物，相当于其自身重量的11万倍。

智能响应：在湿热刺激下，纤维可产生高达60%的“超收缩”，并能输出巨大的收缩应力，展现出类肌肉的驱动能力。经二次预拉伸处理的纤维，其单位质量做功能力（516 J/kg）远超生物肌肉（~39 J/kg）。

能量管理：阻尼效率高达96%，能迅速耗散冲击能量，将自由落体重物的振荡在数秒内平息，在防护材料领域潜力巨大。

这些性能指标使其在与天然蜘蛛丝及近年报道的各类仿生纤维的对比中，位于前列，尤其在韧性、阻尼和智能响应的结合上表现突出。

超越复刻

这项研究展示了通过常规纤维制造技术实现仿生结构的可行性，也提供了一套“结构设计-工艺调控-性能实现”的系统方法。

研究的价值不仅在于复刻了蜘蛛丝的性能，更在于提供了一条可规模化生产的路径。研究所使用的原料成本低廉、生物相容性好，核心的湿法纺丝与后拉伸工艺与现有纺织工业兼容度高。在防护装备、智能织物、软体机器人、能量吸收材料等领域都有潜在的应用价值。

编辑：郭郭

论文信息

发布期刊 Nature Communications

发布时间 2025年11月29日

论文标题 Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66537-7）