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大自然的魔法转换——布满生活的人工蜘蛛丝

http://finance.sina.com   2020年09月13日 18:36   北京新浪网

  来源:中科院之声

  大自然孕育了各种生物,也赋予了它们许多神奇功能。人类科学文明的进步也离不开大自然的启发。通过对生物结构和功能原理的研究,我们生活中科技设备和机械工具等得到了不断的革新和进步,这也就是仿生学科技。例如:某运动品牌研发的可有效减小水的阻力的鲨鱼皮泳衣,这正是借鉴了鲨鱼皮表面丰富的褶皱(也称为肤齿),可大大减小水流的阻力帮助鲨鱼更有效的快速移动;某跨国公司推出可实现废纸发电的新型生物电池,通过木纤维质酵素在将纸张中的纤维素分解为葡萄糖的同时所释放的能量转化为电能,这一发明的最初原理也是仿造人体新城代谢时分解葡萄糖并产生能量。这样仿生学科技的例子不胜枚举,但是你否想过,人们还从生活中大多数人十分厌恶的蜘蛛丝得到了科技发明启发。

图1 鲨鱼皮泳衣(左)和生物电池(右)(图片来自网络)图1 鲨鱼皮泳衣(左)和生物电池(右)(图片来自网络)
图2 蜘蛛丝(左)和人造蜘蛛丝(右)(图片来自网络)图2 蜘蛛丝(左)和人造蜘蛛丝(右)(图片来自网络)

  蜘蛛肚子里有许多丝浆,它的尾端有很小的孔眼。在结网的时候,丝浆从孔眼里喷出,当遇到空气就会形成有粘性的丝,用它所结成的网无论什么飞虫,一旦撞上都别想跑掉。那么,外观又细又柔软的蜘蛛丝为什么会具有这么好的弹性与强度呢?其原因主要在于:蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸、丙氨酸及小部分的丝氨酸,以及其他氨基酸单体蛋白质分子链。一方面,蜘蛛丝具有不规则的蛋白质分子链,这使得蜘蛛丝具有弹性。另一方面,蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链,这又使得蜘蛛丝具有强度(强度大于钢)。

  天然的蜘蛛丝是一种十分坚韧且具有弹性的纤维,因而成为了一种优异的纺织材料(图3)。但由于蜘蛛独特的生活习性和产丝量低的原因,实现天然蜘蛛丝量产十分困难。但随着基因技术的发展,人们利用这样独特的分子链结构,人类研制出了人造蜘蛛丝。那么,它们两者之间有什么区别呢?

图3 天然蜘蛛丝制作的斗篷(图片来自网络)图3 天然蜘蛛丝制作的斗篷(图片来自网络)
图4 蜘蛛丝和人造蜘蛛丝并不完全相同图4 蜘蛛丝和人造蜘蛛丝并不完全相同

  人造蜘蛛丝是一种高韧性的人造材料,目前的人造蜘蛛丝都是通过将蜘蛛的基因进行改造之后,放在不同的生命体中表达蛛丝蛋白(例如大肠杆菌、蚕、羊等),再进一步提纯。成分虽然略有区别,且强度与天然的蛛丝比起来也有不小的差距,但是这些并不重要。人工蜘蛛丝的优点在于可以以液态的形式储存蛛丝蛋白。

  液态的蛛丝蛋白,给人造蜘蛛丝未来的形态和应用创造了多种可能。例如在功能研究中比如生物支架,材料有柔性且可降解。例如,一种通过重组蛛丝蛋白制备出的小口径人造血管支架(图5),具有很好的力学性能及生物相容性且厚度均匀。因此,人造蜘蛛丝并不是仅仅局限于又弹又粘的蛛丝,它具备广泛的应用领域和光明的应用前景。

图5 人造蜘蛛丝制造的血管支架(图片来自网络)图5 人造蜘蛛丝制造的血管支架(图片来自网络)

  那么,人造蜘蛛丝主要还有哪些应用呢?其实,在我们日常生活中就已经布满了人造蜘蛛丝。

  “人造蜘蛛丝”材料的衣服(图6)非常的柔软,类似丝绸一样。但是绝不像丝绸那么容易变黄,更不会像丝绸那么容易被损坏。合成的蜘蛛丝面料甚至比牛仔面料都要坚韧很多倍,而且更加的透气、轻便。鉴于人造蜘蛛丝的性能特点,还有些公司开始用它发展概念产品,如某运动品牌在2017年年底向全球用户推出第一款使用蛛丝制成的可降解跑鞋。由人造蜘蛛丝制造的跑鞋不仅比其他面料跑鞋更加轻盈且牢固,而且可进行100%自然生物降解更是为其贴上了绿色环保的标签。

图6 人造蜘蛛丝制成的衣服(图片来自网络)图6 人造蜘蛛丝制成的衣服(图片来自网络)

  不仅仅在日常生活中有着多项用途,人造蜘蛛丝在医疗方面也存在巨大的应用前景。蜘蛛丝可以代替医用缝合线,又细又牢固,还能被人体吸收,可以省掉了拆线的痛苦。此外,研究发现蜘蛛丝能使显微镜分辨率提升2至3倍。美国《纳米通讯》杂志发表的一项研究显示,自然界的蜘蛛丝是一种天然的超级透镜,可以有效帮助常规光学显微镜突破“视力”极限。人工蛛丝和天然蛛丝都是蛋白质聚集而成的聚合纤维,它们的蛋白分子结构相似,或许可以代替蜘蛛丝应用在显微镜中。

图7 医用缝合线(图片来自网络)图7 医用缝合线(图片来自网络)

  大家可能会产生疑问,人造蜘蛛丝是怎么被制备出来的呢?这里介绍其中一种制备方法。

  天然蜘蛛丝主要来源于结网,产量非常低,而且蜘蛛具有同类相食的个性,无法像家蚕一样高密度养殖。所以要从天然蜘蛛中取得蛛丝产量很有限。随着现代生物工程发展,用基因工程手段人工合成蜘蛛丝蛋白是一种新突破,但是成本较高。

  静电纺丝技术是通过高压静电力作为牵引力克服溶液或熔体表面张力和内部的粘滞力来制备纳米纤维的技术。气泡静电纺丝技术是受蜘蛛纺丝原理的灵感而启发创造出来的,应用气泡动力学原理,在气泡纺丝过程中加载高压电场,溶液中的电荷受到电场诱导,瞬间分布在气泡表面,当电场强度达到阈值时,气泡受到的电场力足以克服气泡表面张力,气泡被拉伸破裂,带电射流瞬间从气泡顶端喷射而出。气流气泡纺丝根据气泡表面张力仅仅依赖于其半径和内外压差。

  因此,借助高温高速气流克服气泡的表面张力,当外加热气流作用于气泡时,气泡会破裂形成多级子气泡和多股射流,子气泡与射流飞出时,由于受到气流牵伸力、表面张力和内外压差作用而变得不稳定,子气泡破裂,再次分裂成无数根射流,又受到气流进一步拉伸细化,期间溶剂快速挥发,最终固化后形成纳米纤维或者超细纤维沉积在接收板上。

图8 气泡静电纺丝技术图8 气泡静电纺丝技术

  借助大自然的魔法转换,我们的科技创造灵感得到了启发。随着基因工程的发展以及制备手段的不断深入,我们相信人造蜘蛛丝会“布满”越来越多的领域。

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