化学产品设计--蜘蛛丝的合成

1、蜘蛛丝的应用及合成蜘蛛丝结构特性 蜘蛛丝主要由甘氨酸，丙氨酸及小部分的丝氨酸加上其它氨基酸单体分子聚合而成。其分子链中有晶区和无定形区。晶区分子高度取向，结晶区被无 定形区分开并占一定体积 ，是其具有高强度 、高 韧 度 、高 粘 弹 性 的 基 础 ；无定形区结构分子链能形成伸展的聚合玻 璃 态 ，这是蛛丝具有高弹性 、高平衡 阻滞能力的原 因 。需求分析 蜘蛛丝的结构特点决定了其理化性质与蚕丝相比，具有非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝纤维与强度最高的碳纤维及高强合纤Aramid、Kelve，等强度相接近，但它的韧性明显优于上述几种纤维。因此，蜘蛛丝纤维在国防、军事（防弹衣）、医疗、建

2、筑、纺织等领域具有广阔应用前景3在军事方面 人造基因蜘蛛丝，也称生物钢，它比普通钢强4至5倍，而且具有如蚕丝般的柔软和光泽，可用于制造高级防弹衣，让我们对比一下，军队目前的防弹衣是用13层Kevlar 制成的，令人吃惊的是，蛛丝的坚韧性是Kevlar 织品的3倍!其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，理论上可以使射弹更有效地减速。把它用于防弹衣，会起到极好的消力作用，对破碎作用是一种很大的障碍。 生物钢的用途广泛，还能制造战斗飞行器、坦克、雷达、卫星等装备的防护罩等。 在大片蜘蛛侠中，主人公彼得帕克被一只经过基因实验改造的蜘蛛咬 伤后，具有了不可思议的超人力量。身穿蜘蛛服的彼得，靠一根蛛

3、丝，在摩天大 楼的墙壁上疾速飞驰，为了保护城市的安全与“绿恶魔”殊死搏斗，最终成为救 人于危难的超级英雄。 然而，这种电脑创造的科幻技术目前正在被美军一步步变成现实。据悉，美军目前正在用新技术打造像“蜘蛛侠”一样的“战争超人”。美国陆军和麻省理工学院正在研究用蜘蛛丝制造一种全新的军装,这种军装不仅能成为士兵的防弹装甲,还可以自动适应不同温度环境,甚至能为生病或受伤的士兵起到一定的医疗作用。 目前，科学家表示，蜘蛛丝喷涂石墨烯和碳纳米管微粒将具有超强韧性，甚至未来这种材料可用于捕获空中坠落飞机。制造轻便的航天服开发轻便耐极端条件的航天材料 在纺织方面 英国艺术家Simon Peers 花了5年时

4、间使用蜘蛛丝纺成的一块布。目前这玩意正在纽约美国自然历史博物馆上展出。它长3.35米，一共花费30w英镑。据说所有的丝提取自100多万只马达加斯加岛golden orb 雌性蜘蛛。在医学医疗方面 蜘蛛丝的优越性还在于它是蛋白质纤维，与人体具有“兼容性”。通过转基因技术得到具有蜘蛛丝特点的“生物钢”制成人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱等产品，具有韧性好、可降解等特性。蜘蛛丝在医学和医疗方面有广泛用途。在建筑方面 蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性，在极高温度下才会分解，因此蜘蛛丝可用于结构材料、复合材料等高强度材料。在建筑方面，蜘蛛丝可用做结构材料和复合材料，代替混凝土中的钢筋，应用

5、于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻建筑物自身的重量，还可以抗震。 其半晶体结构可以发展生物半导体技术，其稳定的室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物计算机的优良材料。研究现状及问题 然而蜘蛛种类繁多，不同种类的蜘蛛丝的组成差异很大，而同一种蜘蛛不同丝腺中的液状丝的氨基酸组成也有很大差异。而我们对蜘蛛产生的各种丝的组成和结构仅有有限的信息和数据。天然蜘蛛丝不能满足实际生产需求！ 天然蜘蛛丝本身具有优异的性能， 但除产量有限外还存在以下缺陷：蜘蛛本身存在很多腺器，不同腺器的丝性能不一，这就造成很难抽取性能单一的丝；易含杂质；直径较粗，27m，限制了应用范围；难以开发加工成特定形状的

6、材料以供不同用途之需。 而且蜘蛛属肉食性动物，不喜欢群居，当几只蜘蛛被放在一起时， 它们之间往往会相互撕咬，所以难以大量饲养蜘蛛，极大地制约了蜘蛛丝在各个领域内的广泛应用。如何制造大批量的蜘蛛丝蛋白？！如何制造大批量的蜘蛛丝蛋白？！制备方案A：微生物途径B：动物途径C：植物途径D：“蚕吐丝”途径E：静电仿丝技术微生物途径 此法是将蜘蛛丝基因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,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。而且将产丝的蜘蛛基因植入细菌中，产丝基因演变成独立的细菌，进行几百万次繁殖生产出丝。这种细菌的出现，不但降低了产丝的成本，而且还会提高丝

7、的质量。动物途径 在某些哺乳动物如山羊、奶牛等动物体内注入蜘蛛基因之后，从所产的乳液中可提取一种特殊的蛋白质，这种含有蜘蛛丝基因的蛋白质可用来生产蜘蛛丝纤维。植物途径 将蜘蛛丝基因移植入植物，培育出能够产生丝蛋白的转基因植物。该方法是将蜘蛛体内丝蛋白基因注入土豆和烟草等植物中，以使这些植物在它们的组织中制造大量的丝蛋白，通过植物大面积的种植，获取丝蛋白。提取这类植物中的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，用作纺纱的原料。用所得到的植物蛋白质进行纺丝，这种丝可制织具有超强韧性的工程材料及能自行分解的化学织物，减少了对环境的污染，成本可能还要低廉。因此成功地培育出能够生产丝蛋白的转基因植物，将大量制取丝蛋白

8、开辟新途径。“蚕吐丝”途径 利用转基因技术，将蜘蛛“牵引丝”部分的基因通过“电穿孔”的方法注入蚕卵中，蚕与蜘蛛同为生物纺丝体，但蚕丝在性能上与蜘蛛丝有很大的差异。因此我们可以将蜘蛛丝的基因转移至蚕体内，以使蚕丝获得蜘蛛丝的某些性能特点。 将蜘蛛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蜘蛛丝蛋白的蜘蛛丝。静电仿丝技术 以胶原蛋白、蚕丝丝素等蛋白质为原料，用静电纺的方法制备拟用作生物医学材料的纳米级纤维。因此我们可以利用静电仿丝技术将天然蜘蛛丝制成性能更加优良的纳米纤维膜，满足特定的性能需求。选择依据权重微生物途径动物途径植物途径蚕吐丝途径静电仿丝途径科学成熟性0.489

9、787工程可靠性0.388797安全性0.288787公众反应0.188686总分188.46.98.36.9方案确认通过评分我们选取了方案A、B、D进一步做比较：A方案通过培养皿培养细菌，细菌繁殖快，生产成本低且可以大批量生产。成功案例：慕尼黑理工大学生物化学家托马斯.沙伊贝尔在研究中，利用基因改良过的大肠杆菌刺激昆虫细胞，使其产生分泌蛛丝所需的特定蛋白质，最终得到质量极佳的人工丝，其韧度可达天然蛛丝的20。而在此之前，品质最好的人工合成丝也只能达到天然蛛丝韧度的510。B方案操作难度稍大。成功案例：美国科学家利用转基因法将黑寡妇蜘蛛丝蛋白基因放入奶牛的胎盘内进行特殊培育 等到奶牛长大后 所产奶含有黑寡妇蜘蛛丝蛋白 再用乳品加工设备将蜘蛛丝蛋白从牛奶中提取出来，然后纺丝成纤维，其强度比钢大10倍，纯度可高达70%90%。C方案操作难度大，技术要求高。但因蜘蛛的纺丝过程与蚕丝类似，一旦投产可以极大地