变身蜘蛛侠！科学家开发出超强韧人造蜘蛛丝 用细菌、水凝胶纤维制成

在科幻电影《蜘蛛侠》中，这个超级英雄靠着一根蛛丝在空中自由飞荡，一边在林立高楼间高低穿梭一边制敌的场景让人大喊过瘾。这样高能的“蛛丝”或将很快面世，并且应用在实际生活的各个领域。

据报道，细菌正在帮助制造出工程蜘蛛丝，其强度和可拉伸性与蜘蛛吐出的拉力丝相比。拿一磅工程蜘蛛丝和一磅钢丝相比，会更重，但是同时更坚韧。

数十年来，工程师们一直在尝试用转基因细菌、酵母菌甚至羊奶来合成合成物，但始终未能达到目标。

但比较具有挑战性的部分是，“蜘蛛丝”的遗传信息是一长串重复的DNA。那些先前测试过的生物的细胞机制随机地改变或砍掉了这种序列。

为了克服这个问题，研究人员将重复的DNA精确地分成了几部分，然后将每个重复的片段插入到大肠杆菌中。这些较小的碎片不太可能在细菌内进一步改变，然后每个微生物都按照遗传指示生产短丝。研究人员在每根链的末端添加了一个化学标签，该标签将各个纤维粘合在一起。

所得材料的行为类似于拉铲丝。测得其抗张强度或抗撕裂强度为1.03吉帕斯卡，与天然生产的拉铲丝相同。工程拉铲丝的韧性为每立方米114兆焦耳，而蜘蛛丝的韧性约为100兆焦耳。工程化的真丝股线可以在断裂前拉伸18％，与天然拉丝线相同。

实验室用放大镜展示了这种坚固的原料（顶部、底部横截面），它是由大肠杆菌生产的蜘蛛丝股线，与蜘蛛丝一样坚韧而有弹性。

圣路易斯华盛顿大学的合成生物学家Fuzhong Zhang说：“我们现在可以利用细菌生产出与自然一样性能优异的东西。”他于4月2日在美国化学会在佛罗里达州奥兰多举行的年会上介绍了这项研究。

这种新型人造蜘蛛丝是在美国国家航空航天局（NASA）的资助下开发的，其用途包括为宇航员在火星上制造坚硬材料的方法。Zhang表示，这种物质可以用于设计用于医学或纺织用途的更坚固的材料，例如耐冲击的织物或外科缝合线。

该团队正在致力于通过工程细菌的生产来扩大工艺流程，这些细菌能够生产完整的丝线，而不只是片段。

蛛丝比在强度媲美钢铁的同时、韧性又优于凯夫拉（Kevlar），属于自然界中最令人印象深刻的材料之一，

无独有偶，我国南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授团队，近日也传来了在这一领域获得的重要进展。该团队使用水凝胶纤维成功制备出了新型超强韧“人造蜘蛛丝”，它强度高、慢回弹、可重复伸缩，未来或将用于高空缓降等多领域。日前，介绍该成果的论文在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

据了解，他们通过掺杂二价离子并加捻，获得一定的捻度，极大地增加了水凝胶纤维中聚丙烯酸的强度，从而使这种新材料获得了与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能。

目前，除了上述提到的细菌、水凝胶作为原材料，国内外的科研团队已经利用蛋白纤维、超分子水凝胶纤维、碳纳米管复合纤维等各种方式成功地复制或是部分复制蜘蛛丝的机械性能。无论哪种方式，一旦科学家们成功提升合成蛛丝在分子水平上的性能，无疑又是新材料研究上的一大突破。超强韧的工程蜘蛛丝制成救生网、球拍网、高空缓冲绳、医疗材料、机械线缆、防弹军衣……应用空间和案例简直丰富得超越想象。

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