新型纖維材料---蜘蛛絲

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1、新型纖維材料…蜘蛛絲新型纖維材料一一蜘蛛絲蜘蛛是地球上最古老的物種之一，是自然界的神奇動(dòng)物，經(jīng)歷了幾百萬年漫長(zhǎng)的進(jìn)化，蜘蛛已能夠適應(yīng)地球上幾乎所有環(huán)境而生存下來，其最大的臂助正是本身獨(dú)特的紡絲能力和令人驚訝的蛛絲性能。蜘蛛是自然界產(chǎn)絲和用絲的“專家”，它們一生都離不開絲。蜘蛛生產(chǎn)性能最優(yōu)異的絲線，并用這種絲線織成蛛絲網(wǎng)，用以捕獲獵物，賴以生存，繁衍后代。蜘蛛，屬節(jié)肢動(dòng)物門蛛形綱蛛形目，種類繁多，會(huì)吐絲結(jié)網(wǎng)的大約有2萬多種，按吐出絲種類的多少分為古蛛亞冃、原蛛亞冃和新蛛亞冃?？茖W(xué)家們?cè)缇妥⒁獾街┲虢z非同一般的性能并將它利用了起來。早在1709年就出現(xiàn)了人類利用蜘蛛絲的記載，

2、而且在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，蜘蛛絲曾被廣泛用作顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、槍炮的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等光學(xué)裝置的十字準(zhǔn)線。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，蜘蛛絲，尤其是牽引絲，以高強(qiáng)度、高彈性、高斷裂功、低密度、良好的耐溫及耐紫外線性能、良好的生物相容性等優(yōu)異性能引起了各國材料、生物和化學(xué)等眾多領(lǐng)域研究人員的極大興趣。科技的進(jìn)步，亦使得破解蜘蛛絲的生物奧秘成為了可能。1996年，美國Science雜志連載3篇文章，揭示了蜘蛛絲性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及蜘蛛絲的奧秘，近幾年，又連續(xù)發(fā)表了10多篇關(guān)于蜘蛛絲研究的文章。美國、瑞士、加拿大、日本、德國、丹麥等國的一些實(shí)驗(yàn)室先后對(duì)蜘蛛絲做了深入的研究，在利用基因和蛋白質(zhì)測(cè)定

3、技術(shù)解開蜘蛛絲奧妙的同時(shí)，在蜘蛛絲人工牛產(chǎn)方面也取得了突破性進(jìn)展。蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)性能與用途蜘蛛絲能大量吸收動(dòng)能，同時(shí)具有高彈性形變，究其原因，在于其奇妙的分子結(jié)構(gòu)。蜘蛛絲的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)，蛛絲蛋白的復(fù)雜氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)賦予了外顯的性能。蜘蛛絲中分子排列是一種介于晶區(qū)與非晶區(qū)的屮間相的存在。結(jié)晶區(qū)主耍為聚丙氨酸鏈段，構(gòu)象為折疊鏈，分子鏈或鏈段沿著纖維軸線的方向呈反平行排列，相互間以氫鍵結(jié)合，形成折曲的柵片，柵片間距離是變化的，在0.93~1.57nm之間。非結(jié)晶區(qū)由廿氨酸、丙氨酸以外的大側(cè)基氨基酸組成，分子多呈Q■螺旋狀結(jié)構(gòu)。由丙氨酸組成的B■折疊（硬段）和富含脯氨酸的

4、Q—螺旋（軟段），及其緊密堆砌的二級(jí)結(jié)構(gòu)使Z成為一種半結(jié)晶狀態(tài)的分子彈簧結(jié)構(gòu)，從而賦予蛛絲很好的抗張強(qiáng)度和韌性。蜘蛛拖絲抗拉力5X109Pa,斷裂伸長(zhǎng)率35%?50%,能大量吸收物體的高動(dòng)能，其優(yōu)越性能是包括蠶絲在內(nèi)的天然纖維和合成纖維不能比擬的。蜘蛛絲冇良好的耐高溫、低溫性能。據(jù)報(bào)導(dǎo)，蜘蛛絲在300°C以上才變黃，開始分解；在零下40°C時(shí)仍有彈性，只有在更低的溫度下才變硬。在需要高溫、低溫使用的場(chǎng)合下蛛絲纖維的優(yōu)點(diǎn)特別顯著。蜘蛛絲的主要成分是蛋白質(zhì)，目前尚未發(fā)現(xiàn)人體對(duì)蜘蛛絲所含的蛋白質(zhì)有任何排異反應(yīng)，另外蛛絲蛋白具有自裝配行為，在器官移植和組織修復(fù)時(shí)可用來介導(dǎo)細(xì)胞和組

5、織，或者它們相互之間的連接，以促進(jìn)器官組織的復(fù)原。由于蜘蛛絲本身的特性，決定了在紡織、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。醫(yī)療衛(wèi)生蜘蛛絲主耍成分是蛋白質(zhì)，人們冃前尚未發(fā)現(xiàn)人體對(duì)蜘蛛絲所含的蛋白質(zhì)有任何排異反應(yīng)，這正是蜘蛛絲應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上最大的優(yōu)點(diǎn)。又鑒于蜘蛛絲極輕、韌性好、強(qiáng)度大等現(xiàn)有材料不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家認(rèn)為用它可以生產(chǎn)人工關(guān)節(jié)韌帶、人工肌腱、人造血管等組織，同時(shí)還可以做組織修復(fù)、用于眼外科和神經(jīng)外科手術(shù)等特細(xì)和超特細(xì)牛物可降解的外科手術(shù)縫合線及生物大分子的固定材料。蜘蛛絲膜具有很好的透明性、生物可降解性和水一空氣界煩的通透性。與膠原蛋口和彈性蛋口相似，絲蛋口具有自裝配性

6、質(zhì)，通過二級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)以提供機(jī)械支撐；與聚酯比較，絲的柔韌性和彈性使其經(jīng)的起重壓和疲勞。絲蛋白牛物相容性好，與膠原起同樣的細(xì)胞黏附、擴(kuò)展、分化和生長(zhǎng)作用。絲基質(zhì)還有機(jī)械誘導(dǎo)作用，通過調(diào)整絲基質(zhì)的硬度，提供控制基質(zhì)的最終機(jī)械特性來模仿天然機(jī)體組織的機(jī)械特性和支持宿主組織內(nèi)生長(zhǎng)，蛛絲蛋白是組織工程支架材料的冇力競(jìng)爭(zhēng)者。軍事領(lǐng)域蜘蛛絲強(qiáng)度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕等優(yōu)良性能,尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常適合防彈衣的制造，它可以阻擋子彈的侵入,使彈頭或彈片擊入人體內(nèi)的危險(xiǎn)降到最低程度。可用來制成坦克、飛機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星以及軍事建筑物的理想的防護(hù)罩；用于制成質(zhì)量小、抗風(fēng)性能好、堅(jiān)固耐

7、用的降落傘。據(jù)報(bào)道，未來可能制成的高性能人工蜘蛛絲“蜘蛛網(wǎng)”，甚至可以攔截F—6戰(zhàn)斗機(jī)。在航空航天方面，可用作航天結(jié)構(gòu)材料和織造航天服等。蜘蛛絲的高吸能功能是以人變形為前提的，如果將蜘蛛絲用作防彈衣，彈丸對(duì)人體的貫穿性損傷和非貫穿性損傷均無法防御，因此要將蜘蛛絲應(yīng)用于彈道防護(hù)產(chǎn)品，至少應(yīng)與其他高強(qiáng)高模纖維合理搭配，形成合理結(jié)構(gòu)。美國陸軍和麻省理工學(xué)院正在研究用蜘蛛絲制造一種全新的軍裝，這種軍裝不僅能成為士兵的防彈裝甲，還可以自動(dòng)適應(yīng)不同溫度環(huán)境，甚至能為生病或受傷的士兵起到一定的醫(yī)療作用。蜘蛛絲的強(qiáng)度非常高，在拉斷之前可以極大