王松立， 王美林， 周 湘， 劉遵峰

(1. 中國(guó)藥科大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 南京 211100； 2. 南開大學(xué) 化學(xué)學(xué)院， 天津 300110；3. 遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051)

蛛蛛絲是蜘蛛通過腺體分泌的一種蛋白質(zhì)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(jīng)在實(shí)際生活中利用蜘蛛絲：古希臘，人們用蜘蛛絲來止血和促進(jìn)傷口愈合[2]；第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，蜘蛛絲被用作望遠(yuǎn)鏡、槍等瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的十字準(zhǔn)星[3]。伴隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)蜘蛛絲的認(rèn)識(shí)逐漸加深，其應(yīng)用領(lǐng)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(xué)性能和良好的生物相容性，所以備受研究者青睞。其力學(xué)強(qiáng)度可與鋼相比，而韌性優(yōu)于芳綸[6]。這種優(yōu)異的力學(xué)性能使蜘蛛絲成為一種非常有前途的生物結(jié)構(gòu)材料，可用于制備降落傘和防彈衣等。此外，蛋白質(zhì)的本質(zhì)特性使得蜘蛛絲具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)工程、組織工程等方面具有很好的應(yīng)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(chǎn)量較低的特點(diǎn)，蜘蛛絲無法像蠶絲一樣實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)[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(jié)構(gòu)，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(jìn)展，為設(shè)計(jì)高強(qiáng)、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(chǎn)生具有不同結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和延展性的蜘蛛絲，被用作蜘蛛網(wǎng)的框架、輻射狀絲和逃生繩索，是捕捉網(wǎng)的主要成分[10]，其是7種蛛絲中強(qiáng)度最高的絲，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于錦綸和鋼，故有“生物鋼”的美譽(yù)，也是目前研究最為深入的蜘蛛絲之一。小壺腹腺絲用于構(gòu)建蜘蛛網(wǎng)的中心螺旋結(jié)構(gòu)使蜘蛛網(wǎng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)

蜘蛛絲優(yōu)異的力學(xué)性能與其蛋白結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。蜘蛛絲的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，氨基酸的種類和數(shù)量會(huì)影響蛛絲蛋白的大小和結(jié)構(gòu)序列，進(jìn)而影響蜘蛛絲的力學(xué)性能，同時(shí)氨基酸殘基會(huì)形成β-折疊納米晶體、無定形α-螺旋等二級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)蜘蛛絲的力學(xué)性能。

2.1 一級(jí)結(jié)構(gòu)

蜘蛛絲是蜘蛛在溫和條件下，通過一系列高度復(fù)雜的過程生產(chǎn)出來的蛋白質(zhì)纖維[12]。蜘蛛絲主要由1條或者多條蛋白質(zhì)組成，被稱為蛛絲蛋白，其分子質(zhì)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(gè)部分：蛋白中心的重復(fù)序列區(qū)(Rep)、N端結(jié)構(gòu)域(NT)和C端結(jié)構(gòu)域(CT)。末端結(jié)構(gòu)域具有折疊的球狀結(jié)構(gòu)，由約100～140個(gè)氨基酸組成，是一個(gè)高度保守序列，而中心重復(fù)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(duì)牽引絲力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，甘氨酸對(duì)牽引絲的力學(xué)性能影響最大，其含量與彈性模量和拉伸強(qiáng)度呈正相關(guān)，而脯氨酸含量則與彈性模量呈負(fù)相關(guān)，但與拉伸長(zhǎng)度呈正相關(guān)。除氨基酸序列之外，蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量和長(zhǎng)度與力學(xué)性能相關(guān)。Malay等[19]設(shè)計(jì)了缺失NT或CT，但含有不同數(shù)目Rep的MaSp2蛋白質(zhì)，然后進(jìn)行液液相分離和自組裝形成納米纖維網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明不同的結(jié)構(gòu)域在蜘蛛絲形成過程中起著互補(bǔ)作用，表明在仿造蜘蛛絲的制備過程中，需要設(shè)計(jì)一套完整的蛋白構(gòu)造。最近，Kono等[20]采用多組學(xué)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(zhì)量蛋白質(zhì)，然后他們對(duì)該蛋白質(zhì)在牽引絲力學(xué)性能中的作用進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，這些低分子質(zhì)量蛋白質(zhì)成分可以使人造蜘蛛絲材料的拉伸強(qiáng)度增加1倍。 這表明蜘蛛牽引絲的多組分性質(zhì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能至關(guān)重要，對(duì)今后人造蜘蛛絲的設(shè)計(jì)也具有重要啟發(fā)。

2.2 二級(jí)結(jié)構(gòu)

蜘蛛絲優(yōu)異的力學(xué)性能不僅與蛛絲蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，更與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。蛋白質(zhì)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(jí)結(jié)構(gòu)，β-折疊層層堆疊形成β-晶體。β-晶體的形成是一個(gè)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(jī)制下，β-晶體增長(zhǎng)并交聯(lián)，形成蜘蛛絲納米纖維束中的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)。納米漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)在保持蜘蛛絲纖維彈性的基礎(chǔ)上，分散外部應(yīng)力對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的作用，從而增強(qiáng)絲纖維的力學(xué)性能。圖2示出β-晶體和納米漁網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及形成過程[21]。納米漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型詳細(xì)介紹了蜘蛛絲蛋白質(zhì)核對(duì)力學(xué)性能的影響，為高性能纖維的設(shè)計(jì)和合成提供了更為全面的策略，但對(duì)蜘蛛絲外殼的作用卻鮮有介紹，核殼結(jié)構(gòu)則彌補(bǔ)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(jīng)揭示了蜘蛛拖絲的核殼結(jié)構(gòu)[22]。隨后人們通過生物化學(xué)技術(shù)分離了拖絲的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)蜘蛛絲纖維由外到內(nèi)由5層組成：脂層、糖蛋白層、表皮層、外核和內(nèi)核[23]。在此基礎(chǔ)上，Yazawa等[24]進(jìn)一步分離了拖絲的外層結(jié)構(gòu)，研究了各層結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，表皮層的主要功能是防止內(nèi)部蛋白質(zhì)被酶分解，保證纖維的完整性，而對(duì)其力學(xué)性能沒有明顯影響，蜘蛛拖絲的內(nèi)核才是決定其力學(xué)性能的關(guān)鍵。

注：圖中Lc、Lb和La分別表示晶體的長(zhǎng)、寬和高。圖2 蜘蛛絲納米漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)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(zhì)工程將特定蛋白質(zhì)的天然或人工基因摻入質(zhì)粒脫氧核糖核酸(DNA)中，將該質(zhì)?；蛞胨拗鬟M(jìn)行表達(dá)(最常見的是大腸桿菌)產(chǎn)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(nèi)腺體pH值的梯度變化是引起蛛絲蛋白末端結(jié)構(gòu)域構(gòu)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(xì)菌搖瓶培養(yǎng)物中提取的蛛絲蛋白即可制得長(zhǎng)達(dá)1 000 m的人造蜘蛛絲，為人造蜘蛛絲的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能。

Zhu等[27]以低分子質(zhì)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(duì)合成蜘蛛絲纖維進(jìn)行增韌處理得到了人造蛛絲纖維，韌性可達(dá)到(249±22) MJ/m3，為低分子質(zhì)量蛛絲蛋白合成具有優(yōu)異力學(xué)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(jié)構(gòu)和取向等分層結(jié)構(gòu)，使纖維的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到510 MPa和15%。

盡管采用重組蛛絲蛋白制備人造蜘蛛絲已經(jīng)取得很大進(jìn)步，但仍面臨蛛絲蛋白產(chǎn)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(jī)溶劑，污染環(huán)境，而水溶液紡絲則可以避免這個(gè)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)了紡絲，絲的韌性可達(dá)74 MJ/m3，為具有高韌性人造蜘蛛絲的大規(guī)模生產(chǎn)打下更好的基礎(chǔ)。

3.2 基于多肽材料的人造蜘蛛絲

相較于生物法，化學(xué)法合成步驟簡(jiǎn)單，成本較低，為人造蜘蛛絲的工業(yè)生產(chǎn)帶來了希望。Tsuchiya等[30]采用二步化學(xué)方法合成了與蛛絲蛋白獨(dú)特序列結(jié)構(gòu)相似的新型多段多肽，他們先采用化學(xué)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(jī)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(gè)片段。經(jīng)廣角X射線衍射和紅外測(cè)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(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)，其結(jié)晶度類似于蜘蛛絲，并可制成纖維。雖然這項(xiàng)工作為化學(xué)合成蜘蛛絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，但合成的多肽鏈分子質(zhì)量相對(duì)較小，其合成纖維的力學(xué)性能與人們的預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。

端氨基的多肽聚(γ-芐基-1-谷氨酸)(PBLA)在聚合度大于18時(shí)會(huì)形成α-螺旋結(jié)構(gòu)，而在聚合度小于18時(shí)，PBLA中會(huì)同時(shí)存在α-螺旋和β-折疊結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度達(dá)到100 MPa， 韌性可達(dá)387 MJ/m3。這種方法簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(qiáng)仿蜘蛛絲纖維的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)895 MPa，韌性為370 MJ/m3，阻尼可達(dá)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(diào)控的聚合物纖維，透明質(zhì)酸與支鏈聚乙二醇聚合物形成動(dòng)態(tài)交聯(lián)，其中支鏈聚乙二醇聚合物用各種結(jié)構(gòu)的硼酸官能化修飾，產(chǎn)生可調(diào)式生物聚合纖維。通過調(diào)整聚合物的結(jié)構(gòu)和濃度，可以定制聚合物纖維的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和應(yīng)變，同時(shí)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(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維(MAPAH纖維)，在MAPAH纖維中，PAAS結(jié)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(xué)性能、導(dǎo)電性能以及抗凍性能。

蜘蛛絲是由高度重復(fù)的結(jié)晶和非晶蛋白序列有序組裝而成的。其中，結(jié)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(shí)現(xiàn)了蜘蛛絲力學(xué)性能的最優(yōu)化。受此啟發(fā)，Yu等[35]利用無機(jī)羥基磷灰石和有機(jī)聚乙烯醇(PVA)分別模擬剛性結(jié)晶和柔性無定形嵌段，制備了仿生礦化有機(jī)-無機(jī)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(qiáng)度(949±38) MPa， 當(dāng)量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化韌度達(dá)到(296±12) J/g，拉伸應(yīng)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(qiáng)高韌纖維。GO/MWNT形成的對(duì)齊互傳網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于蜘蛛絲中β-折疊結(jié)構(gòu)，提高纖維的強(qiáng)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(yīng)變延展性，該纖維的當(dāng)量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化韌度可達(dá)494 J/g，并可保持80%的完全可逆應(yīng)變。

圖4 PVA/Alg/HAP復(fù)合纖維的制備過程及微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(duì)濕度或直接與水接觸來驅(qū)動(dòng)其收縮、伸長(zhǎng)或旋轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[37]報(bào)道了一種對(duì)濕度有響應(yīng)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(jié)構(gòu)，纖維與水接觸后直徑增大，褶皺結(jié)構(gòu)消失，其最大拉伸應(yīng)變?yōu)?8%，在不同的環(huán)境相對(duì)濕度下可進(jìn)行100次拉伸驅(qū)動(dòng)。

Zhao等[38]采用一種簡(jiǎn)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(qiáng)度的復(fù)合納米纖維。在準(zhǔn)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(dòng)，從而誘導(dǎo)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(fù)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(jīng)干燥得到復(fù)合納米纖維，其拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性分別高達(dá)(643±27) MPa和(77.3±3.4) MJ/m3， 斷裂伸長(zhǎng)率為(14.8±1.5)%。這種具有較強(qiáng)普適性和高效率的液流誘導(dǎo)取向策略，為高性能復(fù)合納米纖維的實(shí)際應(yīng)用提供了新的可行發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

天然蜘蛛絲作為一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的生物蛋白材料，在生物醫(yī)學(xué)、軍事工業(yè)和材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。天然蜘蛛絲產(chǎn)量較低，很難獲得用于工業(yè)化生產(chǎn)的蜘蛛絲纖維，這極大地限制了蜘蛛絲在各領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但其力學(xué)性能很難達(dá)到天然蜘蛛絲的水平，如何提高其力學(xué)性能是大規(guī)模生產(chǎn)要面臨的重要問題。雖然采用化學(xué)合成法制備人造蜘蛛絲及仿蜘蛛絲纖維已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，在力學(xué)性能方面已經(jīng)達(dá)到甚至超過天然蜘蛛絲，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)仍面臨很多問題。其主要原因是，在傳統(tǒng)的高強(qiáng)纖維和復(fù)合材料制備原理及方法的基礎(chǔ)上，通?？梢胩烊恢┲虢z的部分結(jié)構(gòu)特征實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的增加，而要實(shí)現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用依然是一個(gè)難點(diǎn)。這是因?yàn)樘烊恢┲虢z的形成過程是集多個(gè)物理與化學(xué)過程的系統(tǒng)工程，包括紡絲、大分子鏈相互作用調(diào)節(jié)、相分離生成納米級(jí)結(jié)構(gòu)、微觀的核殼結(jié)構(gòu)調(diào)控等，因此，如果想要通過人工合成的方法實(shí)現(xiàn)天然蜘蛛絲的多層次結(jié)構(gòu)特征，制備高強(qiáng)、高韌性纖維，需要從頭建立一個(gè)全新的人造蜘蛛絲的系統(tǒng)性制備方法。為此，本文認(rèn)為，如果參考天然蜘蛛絲的紡絲過程，通過對(duì)人工合成纖維的化學(xué)組成、組裝結(jié)構(gòu)和成絲過程進(jìn)行調(diào)控，有可能模仿出蜘蛛絲的多層次結(jié)構(gòu)特征，從而得到高強(qiáng)、高韌性人造蜘蛛絲和仿蜘蛛絲纖維。