生物质高强纤维蜘蛛丝

生物质高强纤维蜘蛛丝生物质纤维是指利用生物体或生物提取物制成的纤维，按来源可分为动物源纤维、植物源纤维和微生物质纤维三大类。按加工方法可分为生物质天然纤维和生物质化学纤维。其中，生物质天然纤维分为植物源纤维（如：棉、麻）、动物源纤维（如：毛、蚕丝、蜘蛛丝）；生物质化学纤维分为植物源纤维（再生植物纤维素纤维、纤维素酯纤维、再生植物蛋白质纤维、海藻纤维）；动物源纤维（再生动物蛋白质纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维）；微生物质纤维素纤维（细菌纤维素纤维、细菌甲壳素纤维、聚羟基脂肪酸酯纤维）等。蜘蛛丝作为生物质纤维中的一种，具有超强的韧性与抗断裂机能，又同时具有质轻、抗与生物可分解等特点，制成纤维后可应用在科技、国防、医疗等领域。其优异的物理性质是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的，是一种优异的生物质高强纤维，因而引起了世界各国科学家的兴趣与关注。1、需求分析由于蜘蛛丝本身的特性，决定了在纺织、医疗、军事等领域有着广泛的应用需求。医疗卫生方面蜘蛛丝主要成分是蛋白质人，们目前尚未发现人体对蜘蛛丝所含的蛋白质有任何排异反应,这正是蜘蛛丝应用在医学上最大的优点。又鉴于蜘蛛丝极轻、韧性好、强度大等现有材料不可比拟的优点,科学家认为用它可以生产人工关节韧带、人工肌腱、人造血管等组织,同时还可以做组织修复、用于眼外科和神经外科手术等特细和超特细生物可降解的外科手术缝合线及生物大分子的固定材料。蜘蛛丝膜具有很好的透明性、生物可降解性和水空气界面的通透性。与胶原蛋白和弹性蛋白相似，丝蛋白具有自装配性质，通过二级结构调节以提供机械支撑；与聚酯比较，丝的柔韧性和弹性使其经的起重压和疲劳。丝蛋白生物相容性好，与胶原起同样的细胞黏附、扩展、分化和生长作用。丝基质还有机械诱导作用，通过调整丝基质的硬度，提供控制基质的最终机械特性来模仿天然机体组织的机械特性和支持宿主组织内生长，蛛丝蛋白是组织工程支架材料的有力竞争者。军事方面蜘蛛丝强度大、弹性好、柔软、质轻等优良性能,尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常适合防弹衣的制造，它可以阻挡子弹的侵入，使弹头或弹片击入人体内的危险降到最低程度。可用来制成坦克、飞机、雷达、卫星以及军事建筑物的理想的防护罩；用于制成质量小、抗风性能好、坚固耐用的降落伞。在航空航天方面,可用作航天结构材料和织造航天服等。蜘蛛丝的高吸能功能是以大变形为前提的，如果将蜘蛛丝用作防弹衣，弹丸对人体的贯穿性损伤和非贯穿性损伤均无法防御，因此要将蜘蛛丝应用于弹道防护产品，至少应与其他高强高模纤维合理搭配，形成合理结构。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。高强度材料方面蜘蛛丝可用于结构材料、复合材料和宇航员装等高强度材料。用蜘蛛丝编织成具有一定厚度的材料进行实验,可发现其强度比同样厚度的钢材高9倍,弹性比具有弹性的其它材料高2倍。因此，对蜘蛛丝进行进一步加工,可用于织造车轮外胎、高强度的渔网等。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，应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻建筑物自身的质量。纺织服用蜘蛛丝弹性好、柔软,而且穿着舒适。蜘蛛“牵引丝”通过转基因的方法让普通春蚕“大批量”吐丝，这种转基因蚕丝可以获得更多有用的功能，从而带动纺织行业的发展。2、国内外研究现状蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。古蛛亚目的蜘蛛只能吐出一种丝，原蛛亚目的蜘蛛可吐出3种丝，新蛛亚目的蜘蛛可吐出7种丝。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。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，目前大多数的相关研究是关于络新妇属蜘蛛(NephliaClaripes)腹状腺纺出的牵引丝(dragline)。1) 蜘蛛丝的组成及结构蜘蛛丝的主要成分为蛋白质，如所有的蛋白质纤维一样，其组成长链蛋白质分子的单元为带不同侧馭的酞胺结构。不同种类蜘蛛丝所含氨基酸种类差异不大，为17种左右，但总的来说牵引丝、包卵丝中主要的氨基酸成分都是甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、丝氨酸，同一蜘蛛的不同腺体内的丝蛋白的氨基酸组成也存在较大的差异。蜘蛛丝蛋白纤维中存在结晶区和非结晶区。结晶度约为蚕丝的55-60%。结晶区主要有聚丙氨酸链段，为折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线方向呈反方向平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片。非结晶区由甘氨酸，丙氨酸以外的大侧基氨基酸组成。侧基较大，且其中含有活性基团，不利于肽链的整齐排列而形成非结晶区。在非结晶区，大分子多呈P螺旋结构。由于结晶区主要由小侧基氨基酸链段组成，氨基酸之间以氢键结合，因而分子间作用力很大，当有外力作用时，沿纤维轴线方向排列的结晶区使纤维有较多的分子链承担外力作用，故蜘蛛丝具有很高的强度。非结晶区分子链呈0转角螺旋，从而使蜘蛛丝具有良好的弹性。蜘蛛牵引丝具有三相结构状态的研究结果，使人们初步了解结晶度很低的蜘蛛丝具有高强度的根本原因。分子链呈规整排列的结晶区只是影响纤维强度的因素之一，强度反映的是纤维承担负荷的能力，因此沿外力作用方向上承载单元的数目以及这些单元抵抗破坏的能力是纤维强度的决定性因素。蜘蛛丝结晶度虽低，但由于其内部分子排列规整性和取向度都较好的中间相的比例较大，这部分分子链是承受轴向外力的主要单元，同时大量的极性氨基酸增加了分子间的作用力，使各分子链能共同抵抗外界负荷的作用。2) 蜘蛛丝蛋白的人工合成1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时，在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。天然蜘蛛丝可来源于蜘蛛结成的网或者人工从蜘蛛的丝腺抽丝，但产率非常低，不能满足实际应用的需要。研究蚕丝蛋白质化学的著名学者Lucac,早在1964年就在Discovery杂志上提出像养蚕一样养蜘蛛从而大量获取蜘蛛丝的想法，但蜘蛛属肉食性动物，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。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材料以供不同用途之需。目前，研究蛛丝的重点在于如何能大批量制造蜘蛛丝蛋白，基因工程技术是解决这一问题的有效途径。20世纪90年代初，美国首先报道了源于棒络新妇蛛拖丝蛋白两种序列不相同的部分DNA,由此揭开了蜘蛛丝蛋白基因与结构研究的序幕。1995年，在解决了重复序列片断的构建困难后，利用丝蛋白部分cDNA片断和人工合成丝蛋白部分基因，分别在大肠杆菌、毕赤酵母、烟草、哺乳动物等体系表达，以期大量获得蜘蛛蛋白。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。因此被称为牛奶钢又称“生物蛋白钢”加拿大魁北克NEXIA生物技术公司的研究人员利用转基因技术复制了蜘蛛产丝的基因并将这种基因转移到山羊细胞中并获得了成功研究出了一种通过水处理提取出蜘蛛丝蛋白的新方法。该公司表示他们培育出的转基因山羊产的羊奶中含有经基因重组的类似于蛛丝蛋白的蛋白质用这种蛋白质生产的纤维取名生物钢Biosteel其强度比芳纶大3.5倍现在该公司正和BritishColumbia大学的Gosline小组合作研究如何进一步仿照蜘蛛的纺丝技术将从转基因山羊奶中收集的蜘蛛丝蛋白质纺成纤维同时Lavar大学Pothier小组用显微注射方法将蜘蛛丝基因导入猪的早期胚胎整合入猪的基因组DNA成熟的猪表达产生的蜘蛛丝蛋白被分泌到精液中现正从精液分离蜘蛛丝蛋白试图制成“生物钢”纤维。国内对蜘蛛丝蛋白的研究在2000年以前主要集中在对蛛丝蛋白质一级结构分析方面。近年来，研究重点也转移到蛛丝蛋白基因结构与功能领域，主要有清华大学、福建师范大学、中国农大、中科院上海生化所等单位。生化所曾于2000年报道绿色荧光蛋白蜘蛛拖丝融合基因在家蚕丝基因中的插入；清华大学生物科学与技术系刘进元等人开展了将蜘蛛丝蛋白基因转移到棉花的试验，可使蜘丝蛋白特异性地在棉纤维中高效表达来改善棉纤维的强度，将蛛丝蛋白卓越的物理性能用于棉纤维品质的改良；中国农大生物技术中心将蛛丝蛋白基因转到小鼠，期望以鼠乳腺为生物反应器。福建师范大学李敏等在国内率先利用原核生物表达体系,构建了不同于他人报道的NephliaClaripes蛛丝蛋白基因序列,成功地实现了蛛丝蛋白的生物合成，奠定了利用蛛丝蛋白发展生物材料研究的工作基础。这些研究工作主要集中在人工合成的蛛丝蛋白基因在不同体系中表达情况的分析，有望大规模生产蛛丝蛋白。3) 蜘蛛丝的制备蜘蛛丝的制备方法总结来说有以下4种：牛羊乳蜘蛛丝法。2002年1月，加拿大Nexia生物技术公司(NXB)与美国陆军战士生物化学指挥部(SBCCOM)的科学家合作，成功模仿了蜘蛛蛋白。他们采用蜘蛛基因，制备了重组的蜘蛛丝蛋白质，纯度可高达70%90%，并用这种蛋白质与水体系完成了环境友好纺丝过程，本质上更接近于天然蜘蛛丝的蛋白质组成和纺丝过程,从而生产出世界上首例“人造蜘蛛丝”该公司将人造蜘蛛丝的商品名定为Biosteel,一方面强调这种生物大分子材料强韧性胜于钢材料，另一方面暗示其生产过程与炼钢一样没有溶剂污染环境,这是目前传统化纤溶液纺丝很难达到的。这一重大成果是Nexia公司科学家10年努力的结果,是人类对高性能纤维进行“绿色”生产的一个新的里程碑,是生物学家、化学家和工程师协作的成果。微生物发酵法。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。据德新社日前报道，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5%10%。植物法。此种方法是将蜘蛛丝蛋白的基因移植给花生、烟草和谷物等植物,使植物能大量生产近似于蜘蛛丝成分的蛋白质原料，国内研究大致采用此种方法。蚕吐蜘蛛丝法。此法利用转基因技术中“电穿孔”的方法,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。研究者试图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。上海生化研究所负责国家863计划重点项目“应用蛋白质工程改进蚕丝性能研究”的科技人员用此法历经数年攻关解决了转基因蚕基因导入、活性基因鉴定及传代育种等一系列技术难题。同时，研究者对蜘蛛丝的纺丝过程进行研究认为蜘蛛大囊状腺的纺丝过程属于液晶纺丝，用偏光显微镜可以看到，腺体内的液状丝蛋白具有向列型液晶结构。FritzVollrath、D.P.Knight比较系统地研究了蜘蛛主腺体丝蛋白的成丝过程，分析了蜘蛛丝的成丝机理。具有皮芯层结构的蜘蛛丝，其皮层和芯层的丝蛋白分别是由图所示的腺体上的B区和A区分泌的。分泌芯层丝蛋白的A区的上皮细胞由一种长长的柱状分泌细胞组成，并被腺体分泌的小粒包裹，这些细胞内含有水分并有很大的粘性，通常是含约50%蛋白的黄色液体，它是蜘蛛牵引丝的主要蛋白。当A区分泌物流向漏斗处时，被B区分泌的无色粘稠均匀液体包覆。随着腺体内丝蛋白的流动，经过漏斗进入锥状的S形导管内，在该区域，液晶状纺丝液被拉伸并取向，使水溶性丝蛋白成为具有优异力学性能的蜘蛛丝纤维。当纺丝液进入蜘蛛吐丝口前的牵引区时，因为管径的突然变小，纺丝液被快速拉伸，纺丝液分子进一步取向，并形成以氢键连接的反平行0-折叠构造。丝纤维出吐丝口后，在空气中会被进一步地拉伸，阀门夹持住已基本成纤的蛛丝，使其在空气中的拉伸效果更加显著。UA区；bBX.f漏斗；1导管的第一环圈，2导管的第二环圈*3导管的第三环圈：皿一导管的提肌肌肉；V阀门；mv腌门伸张器：I末端管；宫一吐丝口。图中所示的标尺为100u）蜘蛛的纺丝过程与蚕丝类似，包括第一，在常温常压下进行纺丝；第二，属于液晶纺丝；第三，由纺丝器官控制纤维的分子结构、粗细及性能；第四，具有复合纺丝的特征，蜘蛛由腺体的不同部位分别分泌皮层和芯层物质，蚕由后部丝腺和中部丝腺分别分泌丝素和丝胶，并在前部丝腺“复合”。因此蜘蛛丝的整个纺丝过程是干法、复合、液晶、多孔、凝胶转化为液体离子控制、液体延伸、卷曲及低能量纺丝的组合。近几年来，随着静电纺丝技术的发展，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制品的研究较但多关于蜘蛛丝蛋白的静电纺的报道并不多。最早的是美国科学家Zarkoob等人以HFIP为溶剂，将Nephila蜘蛛牵引丝溶解在其中，得到了直径为6.5200nm的纤维，该纤维在280C下可以保持稳定；苏州大学的潘志娟等人以大腹园蛛丝为原料，HFIP为溶剂，研究了一定浓度的再生蜘蛛丝溶液的静电纺丝技术，初步探索了电压、喷丝头与接收屏之间的距离（C-SD）对静电纺蜘蛛丝纤维的直径、结晶结构以及纤维毡的力学性能的影响；张磊等人将胶原和蛛丝分别以80g/L溶于HFIP溶剂中，然后用静电纺丝方法制备出了纳米纤维膜，真空干燥后对其理化性能进行表征，纤维膜具有良好三维多孔结构，蛛丝纤维直径更均匀，MTT实验表明，种植6h后血管内皮细胞在胶原和蛛丝膜上都能黏附，但蛛丝膜上细胞增殖速度较快，有望作为血管组织工程支架材料；薛永峰等人采用电纺技术制备了漏斗网蛛丝再生纤维膜，对纤维膜进行了表面形态、水解性能、热性能、力学性能分析，采用MTT法检测对纤维膜细胞的增殖活性试验，发现内皮细胞能够在纤维表面黏附并且生长形态良好；ShaobingZhou等人将PDLLA溶于丙酮，蜘蛛丝溶于蚁酸，然后再将两种溶液按照不同比例混合得到纺丝液后，用静电纺丝的方法制成纤维毡，并对所得纤维毡的进行了SEM、TEM形貌分析、FTIR分析、力学性能测试、亲水性测试和细胞毒性试验，结果发现加入蜘蛛丝蛋白后纤维的亲水性和力学性能都得到了改善，并且细胞适应性情况良好。转基因蛛丝蛋白技术已取得了可喜的进展，但由于还无法达到天然蜘蛛蛋白那样完善的蛋白质序列，以及在纺丝水平上与蜘蛛腺器纺丝的差距，造成目前人工蜘蛛丝远没有达到天然蜘蛛丝那样优异的力学性能的现状。3、研究目标通过研究蜘蛛丝的纺丝原理，仿生制备出物理力学性能接近与蛛丝的高强蜘蛛蛋白纤维。4、目的意义人工蜘蛛丝的成功制备，作为一种高分子材料，在纺织、军事、医药、精密仪器上将有广泛的用途。5. 研究内容1) 蜘蛛牵引丝蛋白溶液的制备及可纺性研究。2) 蜘蛛牵引丝蛋白成形的研究。3) 仿蜘蛛丝的结构与性能研究。6.技术途径途径1：以大腹圆蛛为研究对象，溴化锂和六氟异丙醇(HFIP)为溶剂，研究蜘蛛丝蛋白溶液的制备工艺和方法与其分子量和分子构象之间的关系;用静电纺丝的方法得到纳米级的再生蜘蛛牵引丝和包卵丝，并研究不同的静电纺丝工艺对成丝的影响以及最终得到的非织造膜的力学性能，二级结构和结晶结构。蜘蛛丝蛋白溶液的制备：1.称取适量理净剪细的蜘蛛牵引丝，以9MLIBr溶液为溶剂，在70C水浴中加热溶解5小时，用150目的金属网过滤后在自来水中透析两天，再在去离子水中浸泡一天，然后离心巧分钟，得到澄清的再生蜘蛛丝蛋白溶液。2称取适量蜘蛛牵引丝溶于HFPI中，密闭静置于通风橱内，待牵引丝完全溶解后，用150目金属网过滤，得到澄清的以HFIP为溶剂的蜘蛛丝蛋白溶液。静电纺丝：将溶液倒入纺丝管，调整喷丝头到收集板间的距离，高压发生器使纺丝液带电，并使Taylor锥与接收屏间产生高压电场，接收屏负极接地。调节毛细管中的纺丝液的流量，使纺丝液形成稳定的细流。从毛细管中流出的纺丝液喷射流在静电力的作用下加速运动并分裂而形成细流簇。通过调整电压，流体静压力以及喷丝孔和接收屏之间的距离便可得到稳定的喷射流并在接收屏上接收到纤维。7.成果形式8.考核指标蜘蛛丝的断裂伸长率可达36%50%。初始模量和抗张强度分别达到60GPa和2.9GPa。强度方面与Kevlar纤维相似初始模量鼻；断裂伸长率拉伸强度鼻；9.优势单位清华大学、中科院上海生化所、中国农大、苏州大学、福州师范大学