| 發(fā)布日期：2016-08-18 10:33:39 來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論 分享到： |
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可能有人會(huì)好奇，為什么不能像養(yǎng)蠶一樣大規(guī)模養(yǎng)蜘蛛呢？蠶寶寶只要有桑葉吃，并不介意擠在一起，而蜘蛛則不然，喜愛(ài)獨(dú)居的它們，在遇到同類(lèi)時(shí)會(huì)相互殘殺。所以，以天然方式大規(guī)模生產(chǎn)蜘蛛絲是行不通的。
鑒于蜘蛛絲優(yōu)異的材料性能，科學(xué)家們從十幾年前就開(kāi)始尋找大規(guī)模量產(chǎn)的方式。既然蜘蛛拒絕合作，那就只能“曲線救國(guó)”。早在2000年，就有科學(xué)家將蜘蛛身上產(chǎn)生蛛絲蛋白的基因移植到山羊身上，然后從羊奶中提取蛛絲。但這些“腦洞大開(kāi)”的方法最終都沒(méi)能實(shí)際應(yīng)用。
最近，不死心的科學(xué)家們又盯上了蠶寶寶，既然它們會(huì)吐絲，不如吐點(diǎn)蜘蛛絲？
美國(guó)密歇根州的克雷格生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Kraig Biocraft Laboratory）最近搞了一個(gè)大新聞：他們與美國(guó)陸軍將開(kāi)始對(duì)“龍絲”（Dragon Silk）進(jìn)行實(shí)測(cè)，這是一種利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代超高韌性的纖維。這種纖維的獨(dú)特之處在于，它實(shí)際上是由轉(zhuǎn)基因的家蠶吐出的蜘蛛絲。公司在一份聲明中稱，在所有目前已知的材料中，“龍絲”纖維的韌性是最高的。如果測(cè)試成功，“龍絲”或許在不久的將來(lái)替代凱夫拉（Kevlar）纖維，用于制作性能更為優(yōu)異，而且更為輕薄的防彈衣。
凱芙拉(Kevlar)是杜邦公司使用在芳族聚酰胺類(lèi)有機(jī)纖維上的注冊(cè)商標(biāo)，這一類(lèi)纖維具有極高的強(qiáng)度，因此常用于制作繩索、電纜、涂漆織物、防彈背心等。
紫外線照射下的蠶繭，左邊藍(lán)色的是正常蠶繭，右邊綠色的是轉(zhuǎn)基因蠶繭。圖片來(lái)源：克雷格生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
說(shuō)起蜘蛛絲，大家應(yīng)該都不會(huì)陌生。在漫威系列電影《蜘蛛俠》里，蜘蛛俠飛檐走壁打反派救女神，靠的就是他那無(wú)比神奇，極具彈性，又可任意伸長(zhǎng)變形的蜘蛛絲。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)生活中的蜘蛛絲無(wú)法與電影中的相提并論，但是其優(yōu)異的力學(xué)性能依然吸引了許多科學(xué)家的注意。那么問(wèn)題來(lái)了，為什么他們要選擇蜘蛛絲呢？
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蜘蛛絲強(qiáng)在何處？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，蜘蛛絲具有獨(dú)特的高強(qiáng)度與延展性。其韌性之高，讓所有的人造橡膠、纖維均相形見(jiàn)絀。這種性質(zhì)的獨(dú)特之處在于，在常見(jiàn)的材料之中，強(qiáng)度與延展性常常是互斥的。
可以這么理解，強(qiáng)度是一個(gè)物質(zhì)抵抗變形的能力（剛度），延展性是一個(gè)物質(zhì)順從變形的能力（柔度）。目前看來(lái)，材料領(lǐng)域似乎也只有蜘蛛絲存在這樣剛?cè)岵?jì)的特點(diǎn)，因而不得不讓科學(xué)家對(duì)它高看一眼。
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在材料力學(xué)性能測(cè)試中，最為經(jīng)典的測(cè)試手段就是拉伸實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o予我們至少四個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)：彈性模量（又被稱為楊氏模量）、強(qiáng)度、應(yīng)變與韌性。
在下圖A中的拉伸曲線的示意圖所示，其中橫坐標(biāo)是應(yīng)變（ε = △ L / L ，是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值），縱坐標(biāo)是強(qiáng)度（單位一般是MPa或者GPa）。在拉伸曲線的初始線性階段的斜率，是這種材料的彈性模量。一種材料在拉伸曲線中所達(dá)到的最高強(qiáng)度作為這個(gè)材料的強(qiáng)度（單位也是MPa或者GPa），而材料的最大應(yīng)變值則等于這種材料斷裂時(shí)的延伸率。而材料的韌性（單位是MJm-3），則由拉伸曲線下方的面積衡量。
拉伸曲線示意圖（A）與蜘蛛的曳絲（紅色）和粘絲（藍(lán)色）拉伸曲線（B），圖片來(lái)源：F. Omenetto, et al. Science, 329, 2010,528-531
介紹完基礎(chǔ)知識(shí)，我們可以來(lái)看看蜘蛛絲的拉伸曲線�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲實(shí)際上分為兩類(lèi)，一種是用于支撐蜘蛛網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)的曳絲（Drag Line），另一種為輪輻狀的粘絲（Viscid Line）。這兩種材料具有非常不同的力學(xué)性能特征。
從相應(yīng)的拉伸曲線可以看出，如圖1(B)所示，曳絲強(qiáng)度以及彈性模量要比粘絲高出許多，但是延伸率（~0.3）卻要比粘絲（~2.7）低得多。粘絲的最大應(yīng)變可達(dá)2.7，這是一個(gè)驚人的數(shù)字：這意味著粘絲可以一直伸長(zhǎng)到其初始長(zhǎng)度的3.7倍而不斷裂。
另一方面，曳絲盡管其最大應(yīng)變與粘絲相比似乎少得可憐，但是0.3的應(yīng)變依然是一個(gè)十分優(yōu)秀的成績(jī)，甚至已經(jīng)超過(guò)了絕大多數(shù)包括金屬在內(nèi)的金屬材料。表1列出了蜘蛛的曳絲，粘絲與其他一些常見(jiàn)生物以及結(jié)構(gòu)材料之間的比較。
蜘蛛絲與常見(jiàn)人造纖維及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能 ，表格來(lái)源：F. Omenetto, et al. Science, 329, 2010,528-531
我們可以看到，盡管蜘蛛絲纖維的強(qiáng)度不及高強(qiáng)的碳纖維以及一些其他的合成纖維（如芳綸，即凱夫拉），但是其韌性則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于這些主要用于抗沖擊材質(zhì)的纖維。事實(shí)上，目前尚未有任何人造纖維材料能達(dá)到這一數(shù)值。而說(shuō)起凱夫拉，恐怕大家最為耳熟能詳?shù)膽?yīng)用就是用作防彈背心的凱夫拉裝甲。
凱夫拉護(hù)甲。圖片來(lái)源：eBay
實(shí)事求是的說(shuō)，美國(guó)杜邦公司于上個(gè)世紀(jì)五十年代研發(fā)出的凱夫拉纖維幾乎已經(jīng)可以看做是現(xiàn)代防彈背心的代名詞。但是，蜘蛛絲的韌性幾乎達(dá)到了凱夫拉纖維的三倍。之前我們已經(jīng)提到，韌性的單位是（MJ/m3，即單位體積吸收的能量）。這意味著，如果用蜘蛛絲制作同樣大小的防彈背心，其在破裂之前吸收的能量將達(dá)到凱夫拉的三倍，這意味著由蜘蛛絲制成的防彈背心將具有更為優(yōu)秀的防彈能力，從而可以挽救更多戰(zhàn)士或者是執(zhí)法人員的生命。
可以看到，蜘蛛的曳絲具有與常見(jiàn)的高強(qiáng)鋼相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，而蜘蛛絲的密度僅約為鋼的1/5到1/6，因而有人說(shuō)，同等重量的蜘蛛絲是鋼的五倍。
除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能之外，蜘蛛絲另一個(gè)為研究人員青睞的原因在于其主要成分為生物蛋白，因而具有非常好的生物相容性。因此，蜘蛛絲的潛在應(yīng)用還包括生物醫(yī)藥材料，例如用于傷口縫合線，干細(xì)胞生長(zhǎng)的支架材料，生物黏合劑甚至肌腱韌帶等。
正是由于蜘蛛絲所具有的超高韌性，有科學(xué)家樂(lè)打趣道，“用鉛筆桿一樣粗細(xì)的蜘蛛絲來(lái)結(jié)成網(wǎng)，那么這張網(wǎng)可以攔截住一架飛行當(dāng)中的波音747客機(jī)”。
可以估算一下，攔下一架正在以巡航速度飛行（920km/h）的波音747飛機(jī)（140噸），需要一張厚度為鉛筆粗細(xì)(0.5 厘米)，面積至少為6100平方米（略小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)）的蜘蛛網(wǎng)才行。
我們先不去質(zhì)疑織出這張網(wǎng)的用途，也假裝可以無(wú)視織出這張網(wǎng)需要的預(yù)算，最大的問(wèn)題是，上哪去收集這么多蜘蛛絲來(lái)織成這樣的網(wǎng)？
很遺憾，現(xiàn)實(shí)生活中并不存在像蜘蛛俠彼得帕克這樣可以隨心所欲“biu biu biu”地短時(shí)間射出一團(tuán)蜘蛛網(wǎng)的超級(jí)英雄。蜘蛛不比家蠶，它的生活習(xí)性就決定了它無(wú)法像家蠶一樣默默地吐絲到天荒地老。絕大多數(shù)蜘蛛屬于肉食性動(dòng)物，需要吃很多昆蟲(chóng)才能結(jié)少量的網(wǎng)。
同時(shí)其同類(lèi)相食的特點(diǎn)也決定了它難以被高密度養(yǎng)殖。同時(shí)，蜘蛛吐絲的速率也遠(yuǎn)稱不上勤快。即使大家都同意蜘蛛絲具有無(wú)比優(yōu)異的性能，但是制約其商業(yè)化應(yīng)用最大的障礙，正是蜘蛛絲本身低下的制備效率。
圖2. 在美國(guó)自然歷史博物館展出的蜘蛛絲織錦（Tapestry）（圖片來(lái)源：Wired）
一個(gè)更為直觀的例子來(lái)自美國(guó)的自然歷史博物館。2009年9月，美國(guó)自然歷史博物館展出了一塊約3.3米寬，1.2米高的蜘蛛絲織錦，如圖2所示。這幅尺寸不算驚人的織錦是由超過(guò)80人在四年里收集了1百萬(wàn)只黃金球蛛（Golden Orb Spider）織的絲才編制而成。顯然，如果將來(lái)蜘蛛絲真的開(kāi)始大范圍地用作防彈衣的材料，人們必須要像電影中的蜘蛛俠彼得·帕克一樣，擁有高效生產(chǎn)蜘蛛絲的“魔法”。
如何才能高效的生產(chǎn)性能優(yōu)異的蜘蛛絲呢？
早期的研究表明，蜘蛛絲本質(zhì)上是復(fù)雜的蛋白質(zhì)分子。蜘蛛絲蛋白包含了結(jié)晶與非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，前者增加了蜘蛛絲的物理強(qiáng)度，后者則增加了蜘蛛絲的延展性。同時(shí)，部分的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與蜘蛛絲存在一定的取向關(guān)系，而這些取向關(guān)系也在一定程度上使得蜘蛛絲能具有優(yōu)異的延展性能。
另外，研究者們還發(fā)現(xiàn)蜘蛛吐絲的速率可能在一定程度上改變了分子的微觀取向，從而會(huì)影響蛛絲的力學(xué)性能。這些復(fù)雜的蛋白質(zhì)分子以及其內(nèi)在的微觀取向關(guān)系使得人工化學(xué)合成性能相當(dāng)?shù)睦w維困難重重。專(zhuān)注開(kāi)腦洞的科學(xué)家們繼續(xù)在這個(gè)問(wèn)題上繼續(xù)發(fā)揮了他們天馬行空般的想象力。既然實(shí)驗(yàn)室做不出來(lái)，蜘蛛也很難搞定，那么有沒(méi)有辦法讓蜘蛛像家蠶那樣吐絲呢？
轉(zhuǎn)基因家蠶破繭成蛾，圖片來(lái)源：克雷格生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
正是在這個(gè)時(shí)候，基因工程開(kāi)始大放異彩。早在2011年的一篇發(fā)表于美國(guó)科學(xué)院院刊的一篇文章中，研究者們就通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使得普通的家蠶可以分泌出具有與蜘蛛絲相同蛋白成分的蠶絲，從而大大地提高了蜘蛛絲的產(chǎn)量。
另外，美國(guó)猶他州立大學(xué)的蘭迪劉易斯（Randy Lewis）教授則另辟蹊徑，將表達(dá)蜘蛛絲蛋白質(zhì)的DNA序列轉(zhuǎn)移到了山羊的乳腺細(xì)胞中，從而實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因山羊的羊奶中獲取蜘蛛絲蛋白。但是目前來(lái)看，轉(zhuǎn)基因家蠶是最有優(yōu)勢(shì)的一種手段。文章開(kāi)頭提到的克雷格生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室采用的正是這一手段，試圖大規(guī)模地制備性能出眾的蜘蛛絲。
圖片來(lái)源：Listverse
值得一提的是，我國(guó)科學(xué)家復(fù)旦大學(xué)的邵正中教授發(fā)現(xiàn)，家蠶吐出的絲在一定條件下也可能具備與蜘蛛絲相媲美的強(qiáng)韌度。當(dāng)時(shí)，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，蠶絲的性能要弱于蜘蛛絲，盡管蠶絲來(lái)源要比蜘蛛絲容易得多，但是仍然未能引起廣泛的關(guān)注。邵教授首先注意到蠶絲的力學(xué)性能與家蠶的吐絲行為（比如吐絲速度，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)等）有關(guān)。通過(guò)組織家蠶頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且調(diào)節(jié)家蠶的吐絲速率，可以得到韌性與蜘蛛曳絲相媲美的蠶絲。邵教授的這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑為高效制備高性能生物纖維提供了一個(gè)新的思路。
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