借鉴蜘蛛，“织”出新材料

来源：光明日报

【瞧！我们的前沿科技】

每平方厘米可承重5吨、每平方毫米可以吊起一个50公斤重的成年人——天然蛛丝，在动漫、电影里是蜘蛛侠的得力武器，在现实生活中，由于其惊人的力学强度和卓越的延展性，一直是材料科学领域仿生研究的理想模板。

近日，香港城市大学胡金莲教授与深圳北京大学香港科技大学医学中心刘伟研究员联合组建的研究团队经过5年科研攻关，在重组蜘蛛丝材料领域取得突破性进展。该研究创新采用“边缘半胱氨酸锁定”的精准分子工程设计方法，成功攻克重组蛛丝力学性能不足、湿度稳定性差等核心难题，研发出兼具超高强度、韧性与环境适应性的人工蛛丝纤维，相关研究成果日前相继发表于国际学术期刊《先进科学》和《微尺度》。

“由于蜘蛛养殖难、蛛丝产量极低，蛛丝很难通过养殖手段进行产业化获取。”刘伟解释，因此，通过大肠杆菌生产蛛丝蛋白，再进行人工重组一直是科研领域的重点研究方向。“然而长期以来，人工合成蛛丝由于蛋白分子量偏小、结构松散，面临结晶稳定性不足、力学性能衰减等问题，难以实现稳定纺丝。”

为什么蛛丝液在蜘蛛体内是液体，经蜘蛛吐丝就变成了强韧的固体？研究团队将研究重点从形态仿生转向过程仿生，开始模拟蜘蛛腺体内的精密调控过程。

“我们整合了分子设计、生物合成、材料加工与模拟计算等多学科技术手段，改变了之前的有机溶剂溶解方法，转为采用水相仿生法，通过调控酸碱度和盐浓度模拟自然吐丝过程，将液态蛋白转化为固态纤维，最后引入二硫键交联处理，来提升纤维的结构稳定性。”文章第一作者、团队联合培养博士生栗敏解释。这样纺出的重组蛛丝纤维具有三大核心优势：一是结构稳定性强，有效抵御水分诱导的结构破坏；二是力学性能均衡，实现了高强度与高韧性的结合，且加工过程绿色环保，无须有机溶剂；三是功能可编程，不仅能实现湿度响应的可逆形变与形状记忆，还可通过微流控技术实现连续规模化制备——这意味着能够实现人工蛛丝从实验室研究向产业化应用的关键跨越。

这些特性使该材料在多个领域展现出巨大应用潜力：在软机器人领域，可作为高功率人工肌肉驱动精密运动。“人体肌肉束是由‘一丝一丝’的结构组成的，如果我们能批量生产这种蜘蛛丝纤维，把它们也做成束状，每一根纤维的恢复应力就很高，成束后应力会更高。从仿生角度看，这种束状结构可以模仿肌肉束，凭借‘形变后快速恢复’和‘高恢复应力’的特点，具备更强的运动能力。”刘伟表示，另外，这种纤维韧性高、质地柔软，还能打结，如果应用到机器人中，可以植入小型精密器件，代替人体关节处的肌肉，作为医学材料替代方案。

而在生物医学领域，该材料有望用于可降解缝合线、组织工程支架等生物相容性器件。目前，该团队正在进行应用尝试，将这种纤维作为医用缝合线，用于小鼠胃部手术。“这种纤维是纯蛋白材质，降解产物无毒，降解速度也能和人体愈合速度平衡，对人体的免疫刺激性更低。”栗敏表示，同时，该材料在智能纺织领域，能开发出湿度响应的自适应面料；在柔性传感器、智能驱动设备等新兴领域也具有广阔应用前景。