高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究和应用.pdfVIP

帮第六届全国丝绸创新及产品开发论坛“全富春杯”论文集杀 高性能蛋白质纤维蜘蛛丝的研究与应用 潘志娟，李舂萍，盛家镛 (苏州大学材料．Y-程学院，江苏苏州215021) 摘要：蜘蛛丝和蚕丝相似也是来自于自然界的动物丝，尽管蜘蛛不可能象蚕一样大量吐丝而实现工 业化生产，但其区别于蚕丝的优异力学性能和潜在的应用前景，引起了各国学者的关注。近年来材料学 科的研究人员对蜘蛛丝的结构和性能已进行了比较系统的研究，在此基础上，通过与生物工程技术、纺 丝技术的结合，在人造蜘蛛丝的研究方面也取得了很大的进展。本文介绍了蜘蛛丝的结构、性能及其相 互关系，分析了蜘蛛丝的形成机理，通过与蚕丝的比较，说明两者在成丝方式上的异同点。介绍了人造 蜘蛛丝的研究现状以及发展趋势，阐述了蜘蛛丝的应用前景。 关键词：蜘蛛丝；力学性能；聚集态结构；蜘蛛纺丝；蜘蛛丝应用 引言 蚕丝是目前唯一实现工业化生产的动物丝，蚕丝不仅在纺织领域、而且在生物医学等领域也起着重要作用。 近年来，另一种动物丝也引起了材料、生物、化学等多个学科的学者的关注，这就是蜘蛛丝。20世纪90年代以 来，蜘蛛丝已成为一个重要的研究热点。蜘蛛丝具有高强度、高韧性、高弹性、良好的耐热性能，与人体有良好的 相容性。虽然蜘蛛不能象蚕那样大规模地饲养并有规律地大量吐丝，但生物工程及高分子材料加工技术的发展， 使仿蜘蛛丝的生产成为可能。 本文结合国内外的文献资料和笔者近几年的研究结果，介绍蜘蛛丝的结构、性能及其相互关系，分析蜘蛛丝 的形成机理，通过与蚕丝的比较，说明两者在成丝方式上的异同点。阐述人造蜘蛛丝的研究现状、发展趋势以及 蜘蛛丝的应用前景。 1蜘蛛丝的结构与性能 为r实现蜘蛛丝产品的商品化，唯一的途径是通过人工纺丝的方法加工仿生蜘蛛丝。但要使仿生纤维具有 预期的性能特征，首先要对所仿制的纤维的性能以及这些性能的形成原因有深刻的认识。下面以蜘蛛牵引丝为 对象，主要介绍其力学性能及超收缩性能，分析牵引丝的多级分子结构特征以及结构和性能间的关系。 1．1 蜘蛛丝的主要性能特征 1 1．1力学性能 日^在中世纪人们就从蜘蛛网在捕捉猎物时的作用，发现蛛丝具有不同于一般天然纤维的力学性能，尤其是具 有良好的弹性和难以断裂，一根直径几微米的丝纤维能承受几克重的蜘蛛，这些现象引起了人们对蛛丝研究的极 大兴趣。蜘蛛丝力学性能的具体测试结果的报道最早见于1907年，在随后的几十年中，人们对络新妇、十字园 蛛、大腹园蛛以及黑寡妇等多种不同蜘蛛牵引丝、包卵丝、捕获丝、框丝等做了大量的研究和分析”“1。研究结果 表明，蜘蛛牵引丝具有优于其它天然纤维、化学纤维的综合力学性能。强度高、弹性大、韧性好，单位重量的蜘蛛 蛛牵引丝的力学件能以及与其他纤维的比较。 l 1．2超收缩性能 蜘蛛牵引丝的另一重要性能特征是在水中具有超收缩能力。在湿态下蜘蛛大囊状腺分泌丝的横截面增加约 60％”…。牵引丝在不同极性溶剂中的收缩能力有较大差异，在水中，牵引丝的收缩率达50％左右，在乙醇中的收 ·】23· 始第六届全国丝绸创新及产品开发论坛“金富春杯”论文莱农 缩率最小，其次是甲醇”…。同时收缩的程度和丝纤维所受的原始伸长有很大的关系，当给纤维一定的预伸长时， 收缩率下降”“。牵引丝的这种超收缩性能对于解决仿生蜘蛛丝的加工和蜘蛛丝的基础研究中纤维性能多变性 的困扰有重要作用。研究证明““，通过控制牵引丝的收缩可以预测和重演丝纤维的拉伸行为。虽然天然牵引丝 的力学性能有较大的分散性，但对人工卷取的牵引丝进行不同程度的收缩，可以获得力学行为和各组天然丝纤维 十分接近的纤维，因此通过人工卷取和控制牵引丝在水中收缩度的方法可以得到具有不同力学性能的蜘蛛丝，并 日这些纤维的力学性能有良好的重现性。如果人造蜘蛛丝在水中也具有超收缩性，则可以将控制水中收缩率引 入丝纤维的后加工中，从而获得具有不同力学性能的，能满足不同用途要求的蜘蛛丝纤维。 表1 蜘蛛丝与其他纤维力学性能的比较 1 2蜘蛛丝的结构特点 蜘蛛丝是具有多级结构的蛋白质纤维，牵引丝具有皮芯层结构，芯层内含有数十根纳米级的微纤维。蜘蛛丝 的基本组成单元为氨基