人造蜘蛛絲與仿蜘蛛絲纖維的研究進展

王松立， 王美林， 周 湘， 劉遵峰

(1. 中國藥科大學 理學院， 江蘇 南京 211100； 2. 南開大學 化學學院， 天津 300110；3. 遼寧科技大學 化學工程學院， 遼寧 鞍山 114051)

蛛蛛絲是蜘蛛通過腺體分泌的一種蛋白質生物材料，是自然界中最令人著迷的材料之一[1]。早在幾千年前，人們就已經在實際生活中利用蜘蛛絲：古希臘，人們用蜘蛛絲來止血和促進傷口愈合[2]；第二次世界大戰(zhàn)時，蜘蛛絲被用作望遠鏡、槍等瞄準系統(tǒng)的十字準星[3]。伴隨著科技的進步，人們對蜘蛛絲的認識逐漸加深，其應用領域也變得越來越廣泛[4-5]。

與其他天然材料相比，蜘蛛絲具有優(yōu)異的力學性能和良好的生物相容性，所以備受研究者青睞。其力學強度可與鋼相比，而韌性優(yōu)于芳綸[6]。這種優(yōu)異的力學性能使蜘蛛絲成為一種非常有前途的生物結構材料，可用于制備降落傘和防彈衣等。此外，蛋白質的本質特性使得蜘蛛絲具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)學工程、組織工程等方面具有很好的應用前景[7-8]。

盡管蜘蛛絲具有如此優(yōu)異的特性，但由于蜘蛛互相殘殺的特性和本身絲產量較低的特點，蜘蛛絲無法像蠶絲一樣實現(xiàn)商業(yè)化生產[9]，因此，發(fā)展人造蜘蛛絲及仿蜘蛛絲纖維成為解決途徑之一。本文主要論述了蜘蛛絲的結構，基于重組蜘蛛蛋白、多肽材料的人造蜘蛛絲，以及基于高分子材料和碳納米管材料的仿蜘蛛絲纖維的研究進展，為設計高強、高韌性的人造蜘蛛絲和仿蜘蛛絲纖維提供參考。

1 蜘蛛絲的分類

蜘蛛有各種各樣的腺體，可產生具有不同結構和功能的絲。其中大壺腹腺分泌的拖絲(又稱牽引絲)是一種具備高強度和延展性的蜘蛛絲，被用作蜘蛛網的框架、輻射狀絲和逃生繩索，是捕捉網的主要成分[10]，其是7種蛛絲中強度最高的絲，強度遠高于錦綸和鋼，故有“生物鋼”的美譽，也是目前研究最為深入的蜘蛛絲之一。小壺腹腺絲用于構建蜘蛛網的中心螺旋結構使蜘蛛網穩(wěn)定[11]。鞭毛狀腺絲具有很好的延展性，聚狀腺絲附著于鞭毛狀腺絲表面增加其黏性。葡萄狀腺絲具有高強度和高彈性，是韌性最大的蜘蛛絲。蜘蛛絲的分類如圖1[12]所示。

圖1 蜘蛛絲的分類Fig.1 Classification of spider silk

2 蜘蛛絲的結構

蜘蛛絲優(yōu)異的力學性能與其蛋白結構密切相關。蜘蛛絲的本質是蛋白質，氨基酸的種類和數(shù)量會影響蛛絲蛋白的大小和結構序列，進而影響蜘蛛絲的力學性能，同時氨基酸殘基會形成β-折疊納米晶體、無定形α-螺旋等二級結構，進一步增強蜘蛛絲的力學性能。

2.1 一級結構

蜘蛛絲是蜘蛛在溫和條件下，通過一系列高度復雜的過程生產出來的蛋白質纖維[12]。蜘蛛絲主要由1條或者多條蛋白質組成，被稱為蛛絲蛋白，其分子質量往往很大[13]。蜘蛛絲類型不同，蛛絲蛋白的組成也有所不同，但所有的蛛絲蛋白都可分為3個部分：蛋白中心的重復序列區(qū)(Rep)、N端結構域(NT)和C端結構域(CT)。末端結構域具有折疊的球狀結構，由約100～140個氨基酸組成，是一個高度保守序列，而中心重復序列在不同類型的蜘蛛絲中具有不同的氨基酸序列[14-17]。Craig等[18]采用系統(tǒng)發(fā)育分析法研究了甘氨酸和脯氨酸對牽引絲力學性能的影響發(fā)現(xiàn)，甘氨酸對牽引絲的力學性能影響最大，其含量與彈性模量和拉伸強度呈正相關，而脯氨酸含量則與彈性模量呈負相關，但與拉伸長度呈正相關。除氨基酸序列之外，蛋白質的分子質量和長度與力學性能相關。Malay等[19]設計了缺失NT或CT，但含有不同數(shù)目Rep的MaSp2蛋白質，然后進行液液相分離和自組裝形成納米纖維網絡，結果表明不同的結構域在蜘蛛絲形成過程中起著互補作用，表明在仿造蜘蛛絲的制備過程中，需要設計一套完整的蛋白構造。最近，Kono等[20]采用多組學方法定量鑒定了4種大木林蛛屬蜘蛛的牽引絲蛋白成分和基因組，發(fā)現(xiàn)了幾種除蛛絲蛋白之外的低分子質量蛋白質，然后他們對該蛋白質在牽引絲力學性能中的作用進行研究發(fā)現(xiàn)，這些低分子質量蛋白質成分可以使人造蜘蛛絲材料的拉伸強度增加1倍。 這表明蜘蛛牽引絲的多組分性質，對于實現(xiàn)其力學性能至關重要，對今后人造蜘蛛絲的設計也具有重要啟發(fā)。

2.2 二級結構

蜘蛛絲優(yōu)異的力學性能不僅與蛛絲蛋白一級結構有關，更與蛋白質二級結構密切相關。蛋白質中的氨基酸殘基可通過高密度的氫鍵作用形成β-折疊二級結構，β-折疊層層堆疊形成β-晶體。β-晶體的形成是一個成核過程，而β-折疊為晶體的形成提供模板。在這樣的成核機制下，β-晶體增長并交聯(lián)，形成蜘蛛絲納米纖維束中的漁網結構。納米漁網結構會在保持蜘蛛絲纖維彈性的基礎上，分散外部應力對整個結構網絡的作用，從而增強絲纖維的力學性能。圖2示出β-晶體和納米漁網的結構及形成過程[21]。納米漁網結構模型詳細介紹了蜘蛛絲蛋白質核對力學性能的影響，為高性能纖維的設計和合成提供了更為全面的策略，但對蜘蛛絲外殼的作用卻鮮有介紹，核殼結構則彌補了這一缺陷。在以往的研究中，原子力顯微圖像和電子顯微圖像已經揭示了蜘蛛拖絲的核殼結構[22]。隨后人們通過生物化學技術分離了拖絲的結構發(fā)現(xiàn)，整個蜘蛛絲纖維由外到內由5層組成：脂層、糖蛋白層、表皮層、外核和內核[23]。在此基礎上，Yazawa等[24]進一步分離了拖絲的外層結構，研究了各層結構對力學性能的影響發(fā)現(xiàn)，表皮層的主要功能是防止內部蛋白質被酶分解，保證纖維的完整性，而對其力學性能沒有明顯影響，蜘蛛拖絲的內核才是決定其力學性能的關鍵。

注：圖中Lc、Lb和La分別表示晶體的長、寬和高。圖2 蜘蛛絲納米漁網結構及β-晶體的形成過程Fig.2 Structure diagram of nano fishing net structure of spider silk and formation of β-crystal

3 人造蜘蛛絲合成方法

近年來，隨著科學技術的發(fā)展和對蜘蛛絲形成原理的深入研究，人造蜘蛛絲的制備方法有了很大突破。目前，制備人造蜘蛛絲的材料主要有重組蜘蛛蛋白和多肽材料等。

3.1 基于重組蛛絲蛋白的人造蜘蛛絲

重組蛛絲蛋白是通過基因工程和蛋白質工程將特定蛋白質的天然或人工基因摻入質粒脫氧核糖核酸(DNA)中，將該質粒基因引入宿主進行表達(最常見的是大腸桿菌)產生所需的重組蛋白，該重組蛋白最終從宿主中提取并純化，得到所需要的蛋白[25]。以往的研究表明，蜘蛛體內腺體pH值的梯度變化是引起蛛絲蛋白末端結構域構象變化的原因。Andersson等[26]通過基因工程和生物發(fā)酵獲得了含有CT、NT和Rep的重組蛛絲蛋白，并制造了一種吐絲器來模擬天然蜘蛛絲制造過程中pH值的改變，其從1 L細菌搖瓶培養(yǎng)物中提取的蛛絲蛋白即可制得長達1 000 m的人造蜘蛛絲，為人造蜘蛛絲的工業(yè)化生產提供了可能。

Zhu等[27]以低分子質量重組蛛絲蛋白為原料，采用濕法紡絲工藝紡絲并利用二氧化鈦和甲醛交聯(lián)，對合成蜘蛛絲纖維進行增韌處理得到了人造蛛絲纖維，韌性可達到(249±22) MJ/m3，為低分子質量蛛絲蛋白合成具有優(yōu)異力學性能的人造蜘蛛絲提供了方向。Peng等[28]模仿蜘蛛紡絲過程，采用水溶性的重組蜘蛛牽引絲蛋白為原料，通過微流體濕法紡絲并拉伸得到人造蜘蛛絲，紡絲后的拉伸改善了纖維晶體結構和取向等分層結構，使纖維的拉伸強度和伸長率分別達到510 MPa和15%。

盡管采用重組蛛絲蛋白制備人造蜘蛛絲已經取得很大進步，但仍面臨蛛絲蛋白產量低的困擾，且在紡絲過程中需要使用六氟異丙醇或甲醇等有機溶劑，污染環(huán)境，而水溶液紡絲則可以避免這個問題。最近，Schmuck等[29]采用研制的一種水溶性蛛絲蛋白，用新的生產方法在1 L大腸桿菌培養(yǎng)液中得到14.5 g純蛛絲蛋白，且僅用水溶液實現(xiàn)了紡絲，絲的韌性可達74 MJ/m3，為具有高韌性人造蜘蛛絲的大規(guī)模生產打下更好的基礎。

3.2 基于多肽材料的人造蜘蛛絲

相較于生物法，化學法合成步驟簡單，成本較低，為人造蜘蛛絲的工業(yè)生產帶來了希望。Tsuchiya等[30]采用二步化學方法合成了與蛛絲蛋白獨特序列結構相似的新型多段多肽，他們先采用化學酶法聚合制備了2種類型的多肽片段：聚丙氨酸作為硬段，聚(甘氨酸-隨機氨基酸-亮氨酸)作為軟段，以聚磷酸為縮合劑縮聚連接這2個片段。經廣角X射線衍射和紅外測試表明，所得多嵌段多肽形成了與蜘蛛絲相似的反平行β-片狀結晶區(qū)和非晶區(qū)，其結晶度類似于蜘蛛絲，并可制成纖維。雖然這項工作為化學合成蜘蛛絲內部結構奠定了基礎，但合成的多肽鏈分子質量相對較小，其合成纖維的力學性能與人們的預期相差甚遠。

端氨基的多肽聚(γ-芐基-1-谷氨酸)(PBLA)在聚合度大于18時會形成α-螺旋結構，而在聚合度小于18時，PBLA中會同時存在α-螺旋和β-折疊結構。Gu等[31]將PBLA的聚合度控制在15，使PBLA具有蜘蛛絲特有的α-螺旋和β-螺旋結構，并通過脲鍵與聚四氫呋喃二元醇相連，合成出仿蜘蛛絲蛋白材料，之后將該蛋白溶解在六氟異丙醇中作為紡絲原液，再通過干法紡絲得到的纖維的抗拉強度達到100 MPa， 韌性可達387 MJ/m3。這種方法簡單高效，為獲得人造蜘蛛絲開辟了一條非常有前景的道路。

4 仿蜘蛛絲纖維的研發(fā)

4.1 基于聚合物材料的仿蜘蛛絲纖維

基于天然蜘蛛絲的核殼結構，Dou等[32]利用聚丙烯酸與乙烯基功能化二氧化硅納米顆粒(VSNP)制備了交聯(lián)水凝膠，通過水蒸發(fā)控制的自組裝，獲得了具有核殼結構的仿蜘蛛絲纖維，制備工藝如圖3[32]所示，通過摻雜離子和加捻可增強仿蜘蛛絲纖維的力學性能，其拉伸強度可達895 MPa，韌性為370 MJ/m3，阻尼可達95%。Chu等[33]采用上述類似的方法從大塊水凝膠中獲得了可調控的聚合物纖維，透明質酸與支鏈聚乙二醇聚合物形成動態(tài)交聯(lián)，其中支鏈聚乙二醇聚合物用各種結構的硼酸官能化修飾，產生可調式生物聚合纖維。通過調整聚合物的結構和濃度，可以定制聚合物纖維的彈性模量、拉伸強度和應變，同時聚合物纖維在高濕度環(huán)境下具有與蜘蛛拖絲相同的超收縮行為。

圖3 水凝膠纖維的制備流程Fig.3 Preparation of hydrogel fibres.(a) VSNP formation and free radical polymerization；(b) Forming process of single fiber by drawing

Zhao等[34]在聚丙烯酸鈉(PAAS)水凝膠(PAH)纖維上涂覆一層薄薄的聚丙烯酸甲酯制備了具有核殼結構的復合纖維(MAPAH纖維)，在MAPAH纖維中，PAAS結晶區(qū)和非晶區(qū)共存并可快速可逆互變，使MAPAH纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能、導電性能以及抗凍性能。

蜘蛛絲是由高度重復的結晶和非晶蛋白序列有序組裝而成的。其中，結晶區(qū)β-折疊嵌段提供剛性，非晶蛋白嵌段提供柔性，這些組裝單元有序整合在一起，實現(xiàn)了蜘蛛絲力學性能的最優(yōu)化。受此啟發(fā)，Yu等[35]利用無機羥基磷灰石和有機聚乙烯醇(PVA)分別模擬剛性結晶和柔性無定形嵌段，制備了仿生礦化有機-無機雜化纖維，制備過程如圖4[35]所示。該纖維具有超高的拉伸強度(949±38) MPa， 當量質量標準化韌度達到(296±12) J/g，拉伸應變?yōu)?0.6%，可與天然蜘蛛絲媲美。Kim等[36]以親水性聚氨酯作為基材，氧化石墨烯(GO)和多壁碳納米管(MWNT)作為增韌劑，通過濕法紡絲得到了高強高韌纖維。GO/MWNT形成的對齊互傳網絡相當于蜘蛛絲中β-折疊結構，提高纖維的強度和韌性，而彈性聚氨酯基體類似蜘蛛絲的非晶相提高纖維的應變延展性，該纖維的當量質量標準化韌度可達494 J/g，并可保持80%的完全可逆應變。

圖4 PVA/Alg/HAP復合纖維的制備過程及微觀網絡結構示意圖Fig.4 Schematic illustration of preparation process and network microstructure of PVA/Alg/HAP hybrid macrofiber

4.2 基于碳納米管材料的仿蜘蛛絲纖維

基于碳納米管(CNTs)材料的仿蜘蛛絲纖維可通過改變環(huán)境相對濕度或直接與水接觸來驅動其收縮、伸長或旋轉。文獻[37]報道了一種對濕度有響應的仿蜘蛛絲纖維，其將包含聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)的CNTs片纏繞在一起，所得纖維的初始表面具有卷曲褶皺結構，纖維與水接觸后直徑增大，褶皺結構消失，其最大拉伸應變?yōu)?8%，在不同的環(huán)境相對濕度下可進行100次拉伸驅動。

Zhao等[38]采用一種簡單的基于液流組裝的策略用于制備具有超高斷裂韌性與強度的復合納米纖維。在準液態(tài)的水凝膠表面和重力的雙重作用下，含有碳納米管和海藻酸鈉的水溶液可沿水凝膠溝槽快速流動，從而誘導碳納米管取向排列，水凝膠溝槽中的Ca2+與海藻酸鈉發(fā)生原位交聯(lián)形成復合纖維，該纖維可通過在水中浸泡從水凝膠溝槽中分離出來，經干燥得到復合納米纖維，其拉伸強度和斷裂韌性分別高達(643±27) MPa和(77.3±3.4) MJ/m3， 斷裂伸長率為(14.8±1.5)%。這種具有較強普適性和高效率的液流誘導取向策略，為高性能復合納米纖維的實際應用提供了新的可行發(fā)展方向。

5 結束語

天然蜘蛛絲作為一種具有優(yōu)良力學性能的生物蛋白材料，在生物醫(yī)學、軍事工業(yè)和材料科學等領域有著廣泛的應用。天然蜘蛛絲產量較低，很難獲得用于工業(yè)化生產的蜘蛛絲纖維，這極大地限制了蜘蛛絲在各領域的應用。利用重組蛛絲蛋白制備人造蜘蛛絲纖維可在一定程度上實現(xiàn)大規(guī)模生產，但其力學性能很難達到天然蜘蛛絲的水平，如何提高其力學性能是大規(guī)模生產要面臨的重要問題。雖然采用化學合成法制備人造蜘蛛絲及仿蜘蛛絲纖維已經取得了較大的進展，在力學性能方面已經達到甚至超過天然蜘蛛絲，但要實現(xiàn)產業(yè)化生產仍面臨很多問題。其主要原因是，在傳統(tǒng)的高強纖維和復合材料制備原理及方法的基礎上，通?？梢胩烊恢┲虢z的部分結構特征實現(xiàn)強度和韌性的增加，而要實現(xiàn)多層次結構的協(xié)同作用依然是一個難點。這是因為天然蜘蛛絲的形成過程是集多個物理與化學過程的系統(tǒng)工程，包括紡絲、大分子鏈相互作用調節(jié)、相分離生成納米級結構、微觀的核殼結構調控等，因此，如果想要通過人工合成的方法實現(xiàn)天然蜘蛛絲的多層次結構特征，制備高強、高韌性纖維，需要從頭建立一個全新的人造蜘蛛絲的系統(tǒng)性制備方法。為此，本文認為，如果參考天然蜘蛛絲的紡絲過程，通過對人工合成纖維的化學組成、組裝結構和成絲過程進行調控，有可能模仿出蜘蛛絲的多層次結構特征，從而得到高強、高韌性人造蜘蛛絲和仿蜘蛛絲纖維。