蜘蛛丝的应用及合成

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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 。蜘蛛丝的应用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

2、弹衣 ）、医疗、建筑、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

3、人力量。身穿蜘蛛服的彼得，靠 一根蛛丝，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”。 美军宣称，不久的 将来，美军的士兵们将会穿 着蜘蛛丝制成的战斗服参加战斗，这种战斗服 既轻便 又灵活，同时还可以防弹。 用于航天材料 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 P

4、eers 花了5年时间 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

5、构材料和复合材料，代替混凝土中 的钢筋，应用于桥梁、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。电子领域电子领域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。蜘蛛丝的合成技术随着科学技术的发展，开发生产蜘蛛丝已成 为可能。人们在获取蜘蛛丝蛋白基因后，利用已清楚的氨 基酸重复序列信息，人工合成其类似基因 片段， 通过微 生物、动物、植物等途径表达蜘蛛丝蛋白后进行溶液纺丝 ，以获取蜘蛛丝纤维。微生物途径将蜘蛛基因转入微生物中，通过微生物的分 裂繁殖来达到生产具有蜘蛛丝特性的纤维，该方 法成本低，生产效率高。如将

6、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 。加拿大研究人员发现 山羊乳液中所含的奶蛋 白同蜘蛛的丝蛋白生成模式是一样的，利用转基 因技术，把蜘蛛丝牵引丝基因转移到山羊乳腺细 胞中，从山羊的乳液提取出类似蜘蛛丝的可溶性 蛋白，生产高性能蛋白纤维，开发出新一代动物 纤维材料，实验证 明这种新的轻型纤维材料强度 比钢材更高，而弹性十分好。植物途径将

7、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，在家蚕的基 因重链中就产生部分蜘蛛牵引丝的基因。

8、从而使 蚕丝的易折皱变形、弹性小等性能得到改进。中 科院上海生命科学研究院6用转基因方法，在 国际上首次实现了绿色荧光蛋白与蜘蛛丝融合基 因在家蚕丝基因中的插入，并获得了荧光茧 一种高级的绿色环保材料。市场需求医用纤维生产商Acordis特种纤维公司与Nexia生物技术公 司扩大了合作协议,以开发用于Nexia的蜘蛛丝生产 BioSteel纤维纺丝工艺。 由于其高性能(韧性、强度、轻) 与生物降解性的独特结合,蜘蛛丝一直受到科学家的推 崇。Nexia一直将BioSteel-M的开发重点放在医疗装置上, 因其代表高价值及广大的市场。目前，据说生产这种仿蜘蛛丝的费用可降低到每公斤50 美元以下，而

9、蚕丝的平均生产费用也要每公斤26-33美 元。用户需求1.防蜘蛛丝纤维 仍具有可降解能力，不会对环 境造成污染。2.用于军事、航天、医疗、建筑等方面的放蛛丝材料的降解条件应较 苛刻，不能产生安全隐患。3.仿蛛丝纤维 制成的服装应耐脏。4.放蛛丝衣服应耐洗涤，不变形。5.仿蛛丝衣服除了具有一般蚕丝衣服的特性外，还能根据环境温度自行调节 ，起到冬暖夏凉的效果。6.在军事方面，仿蛛丝纤维 防弹衣也能起到调节 冬暖夏凉的效果。7.蛛丝制成的战甲可以抵抗艰苦的环境，比如可以在水底呼吸，在高海拔地带提供氧气等。8.蛛丝作战服具有红外探测、生化传感器、日夜视频 相机等功能。9.蛛丝作战服具有生物传感器的作用

10、，可以探测士兵的心跳、血压等，相当于一个时时 刻刻在身边的私人医生。10.在电子领域，仿蛛丝作为良好的生物半导体，用于计算机材料，更加轻便。11.在医疗方面，与人体有很好的兼容性，可作为很好的生物的材料。12作为建筑材料，可以调节 居室的温度、湿度、以及空气清新度。13作为建筑材料，具有优良的抗震性能。14.时刻监视 建筑内外，保障社区安全。15.在航天方面，闹高温，耐极寒。16.航天服轻便舒适。17.航天材料强度高，质量轻。18.航天材料同样应具有红外探测及卫星遥感技术。方案分类A.轻便舒适。（16.17）B.具有具有调节温度的作用，即冬暖夏凉。（4，5，6， 12）C.红外探测功能。（8，9，14）D.在极端条件下不影响性能。（7，15）E.提供氧气。（7，12）F.具有疏水抗压性能。（3，4）G.特定条件下才能降解。（2）方案筛选选择 依据权重ABCDEFG市场 需求 性0.46996947科学 成熟 性0.45955557工程 安全 性0.25955557总分15.496.65.46.64.67方案确认方案确认最终确定高于5分的方案。即ABCDEGA.轻便舒适。（16.17）B.具有具有调节温度的作用，即冬暖夏凉。（4，5，6 ，12）C.红外探测功能。（8，9，14）D.在极端条件下不影响性能。（7，15）E.提供氧气。（7，12）F.(G)特定条件下才能降解。（2）