《蛛网强力纤维》PPT课件.ppt

蛛网强力纤维,蜘蛛与蜘蛛丝 蜘蛛丝的研究过 程与研究进展 结论与展望,“生物钢”,一束细柔轻软、透明、富有弹性而又坚韧的蛛丝，牵引着强壮无比的蜘蛛侠在林立的楼宇之间飘来荡去，救灾解难、惩治恶魔。 实际上，拽一个人根本就用不着影片中那么粗的蛛丝，因为如果将蛛丝直径增加到一公分（一束铅笔粗细），即可拦截天上正在飞行、载运三百人的七四七飞机。,天然的尼龙,蜘蛛丝歷经数百万年的演化而趋于完美。一只蜘蛛 能单独造出七种不同的丝，各自有其用途，包括用 来悬挂蜘蛛网的牵引丝最为坚韧、捕捉丝具有最大 的延展性等。蜘蛛网必须能够捕捉快速飞行又沉甸 甸的虫子，不但要使虫子无法动弹，蛛丝又不至于 应声而断，也不会产生反作用力而把猎物弹开。这 令人联想到航空母舰的拦阻索，可在喷射机降落时 用来帮助煞车。,1.蜘蛛与蜘蛛丝,中文名： 蜘蛛 中文别名： 网虫、扁珠、园珠 拉丁文学名： Araneida；Araneae 英文名： spider 分 类： 界： 动物界 Animalia 门： 节肢动物门 Arthropoda 纲： 蛛形纲 Arachnida 目： 蜘蛛目 Araneae ,Clerck 亚目： 中突蛛亚目 Mesothelae 原蛛亚目 Mygalomorphae 新蛛亚目 Araneomorphae,园圃蜘蛛(Araneus diadematus),天然的尼龙,现存最古老的蜘蛛丝于2003年公开发表，保存在一块于黎巴嫩的琥珀之中，出现的年份可追溯至1亿2千万年前的白垩纪初期。这个标本之所以吸引人，是因为捕捉丝上依然挂着一串小黏珠，清晰可见，宛如今天才结出来的蜘蛛网。,蜘蛛七种分泌腺体,连接于前纺丝器的有大囊状腺、梨状腺; 连接于后纺丝器的有集合状腺、鞭毛状腺; 连接于中纺丝器的有小囊状腺、管状腺和葡萄状腺,圆蛛属7种丝腺体产生的丝及其功能,蜘蛛丝与羊毛及蚕丝一样，都是一种蛋白质。材料科学家沙力卡亚：蛋白质才是生物体内的苦力。人体内有数十种不同的蛋白质，全部合作无间地同时运作。你看东西、吃东西、想事情，全是拜这些蛋白质的交互作用所赐。 ,蛋白质结构,蛋白质的表面有许多地方具有吸引力与排斥力，能以各种方式缠绕纠结。蛋白质的结构极为复杂，不过总的说来，你能随心所欲地将它弄成想要的形状。许多蛋白质为水溶性球状分子团，例如血红蛋白；有些则为非水溶性的纤维或角质，例如毛髮、指甲乃至蜘蛛丝。,蛋白的主要成份是白蛋白，一敲破蛋壳，便知道蛋 白显然是某种非常浓稠的溶液。生的蛋白虽呈透明 状，流动性却很差，表示其内部应有某种丝状结构 。但丝状蛋白的亲水性极强，你把蛋加热时，丝状 蛋白所含的水分会排出去，因而开始蜷曲，邻近链 状结构上的分子便互相接触，形成交互联结，这样 一来丝状蛋白便迅速纠结成球状而不再呈胶状，取 而代之的是弹性十足的固体。,黑寡妇,虽然我们会认为，食用蛋白和毛髮、羊毛这类结构蛋白根本是完全不同的物质，但其实它们的化学性质很相近。事实上，它们彼此之间可以相互转换。 牛乳是一种食材，但其中所含的酪蛋白这种蛋白质，可以加工制成有用的塑胶。此外，在合成塑胶问世前，乳胶也常用来制作纽扣之类的小物品。,食鸟蛛,但如果要制造出耐用的乳胶，就必须控制水分含量 ，使脱水的过程不会产生空洞，且必须去除脂肪， 乳胶才能硬化。蛋白质原料需要非常细腻的加工过 程，才能产生洽当的性质，而工业用原料也能由原 本截然不同的生物性分子制造而成。那么，既然能 用牛奶作出纽扣，何不用基因改造山羊所含的蜘蛛 丝蛋白来制造防弹背心呢？,这是一只热带跳跃型蜘蛛，它会用明亮的颜色来吸引异性.,蜘蛛丝的分子特性,以蜘蛛丝而言，丝线中的液体称为液态丝，含有一 团团具高度方向性的分子，这些分子的行为便有如 液晶。液体通过吐丝器时会脱去水分，酸度也跟着 改变，使这些分子的方向性愈来愈高，最后全部顺 着流动的方向排列，吐出来的就是分子排列整齐的 丝。,蜘蛛丝的分子特性,蜘蛛丝还在蜘蛛的丝腺里时呈凝胶状，而且饱含水 分子，不过也和蛋白一样具有丝状结构；事实上它 是一种液晶。看似是黏稠的液体，事实上它们 分子全都朝向同一方向排列。以蜘蛛丝而言，丝腺 中的液体称为液态丝，含有一团团具高度方向性的 分子，这些分子的行为便有如液晶。液体通过吐丝 器时会脱去水分，酸度也跟着改变，使这些分子的 方向性愈来愈高，最后全部顺着流动的方向排列， 吐出来的就是分子排列整齐的丝。,蜘蛛丝的分子特性,从电子显微镜下观察蜘蛛丝，可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊桥樑的大钢索，中间有一根主要的钢索，而周围又以其他较小的钢索缠绕着,电子显微镜下蜘蛛丝的结构,外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：,1.不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性； 2.规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。,蜘蛛丝的分子特性,此图为蜘蛛丝蛋白质内的氨基酸构造，分别由图中的硬质Beta折叠与松散捲曲的Alpha螺旋结构组成，由于Beta折叠十分的坚硬，加上Alpha螺旋结构富有弹性及松散，使得蜘蛛丝本质坚硬但又富有弹性，加上裂缝在此结构不易延续所以此材料不易破裂,蜘蛛丝与蚕丝的氨基酸组成,奇妙的蜘蛛丝,蜘蛛丝与其他纤维的力学性能,蜘蛛丝力学性能,蜘蛛牵引丝和其它纤维的力学性能比较,蜘蛛牵引丝具有高强度、高韧性和高弹性，尤其是承受外力所做功的能力远大于钢丝及高性能合成纤维。,蜘蛛是从头吐丝吗?,一般的蜘蛛的确是从身体的前端吐丝是没有错的 人面蜘蛛却是从尾部吐丝来结网,从尾部吐丝的人面蜘蛛,蜘蛛是如何结网的?,一般的蜘蛛都是先将整的网的主干织好，接着再将细部的丝一条条的补上,一随风飘逸却坚韧的蜘蛛丝,我们常常把蜘蛛网看成很脆弱的丝线结构，且时常见到的是露水或冰霜所凸显出蜘蛛网的形状 在巴布亚纽几内亚，有种蜘蛛会结出很大的网，大到足以让人们将其缠绕在竹竿间当成渔网,清晨结满露水的蜘蛛丝,大到足以当成鱼网的蜘蛛丝,园圃蜘蛛不仅结网结得十分好看，而且在你可能偶遇的蜘蛛当中，这种色彩斑斓的蜘蛛也绝对是最漂亮的。,随风飘逸却坚韧的蜘蛛丝,园圃蜘蛛,蜘蛛丝能纺成纱？,根据史料，最初尝试利用蜘蛛丝的是法国人。 1709年：圣西兰用蛛丝制成手套和长袜献给路易十四 1710年：法国科学家雷慕尔研究这些说法估计需要两万七千四百六十八只雌蜘蛛才能产出一磅(四百五十四克)的丝 十八世纪后期的澳洲，有项传统是在蜘蛛网上作画,蜘蛛丝能纺成纱？,利用蜘蛛纺丝并不是什么大学问，只要些许工具和一点耐性，你也可以自己动手做。首先，等七月下旬出现园圃蜘蛛结的网，于是捉住一只蜘蛛。你当然得限制蜘蛛的行动，可就近取一块保丽龙充当工作台；你必须小心翼翼地将蜘蛛翻身，使它背部朝下，在蜘蛛身体两边，拿两条很细的橡皮筋从靠近身体处把脚绑住，一边绑四只脚。固定住之后，你就可以拿根玻璃棒，轻触蜘蛛腹部下方的吐丝器引出蜘蛛丝，并轻轻拉出。,奈特发明的纺丝器专利应用,蜘蛛丝能纺成纱？,若想捲成一捆丝，可将保丽龙固定在木片上，在木 片另一端装上简易的捲轴，很像是附带把手的纺锤 上所装的棉线线轴。若你碰巧懂得手工编织方面的 知识，就能收集一小捆丝，试着编成较粗的线，使 之比较接近纺织用的规格。不过呢，无论你拿蜘蛛 丝做什么，最后一歩都要把蜘蛛放走。他会马上回 去工作，修补网子。,奈特发明的纺丝器专利应用,蜘蛛丝能纺成纱？,一只园圃蜘蛛有三对吐丝器，各具有多根吐丝管，总数超过六百根，虽然不靠显微镜就无法看到整个构造，但还是很值得一提。光看这个器官的图片，如果不加说明，你或以为这是某种高科技喷胶系统。,园圃蜘蛛的吐丝器,蜘蛛丝能纺成纱？,蜘蛛常使网子保持在良好的维修状态，每隔两、三 天就要毁弃旧网，另结新网。构成新网的蛋白质中 ，约百分之八十到九十回收自旧网，这表示蜘蛛猎 食的主要目的是为了取得结网所需的能量；大部分 的蜘蛛网原料都不需仰赖食物来补充，这种生命作 用展现了惊人的效率。,蜘蛛丝能纺成纱？,曾经有人尝试以工业规模生产蜘蛛丝。经过适当的 安排，一只金色人面蜘蛛能够一口气吐出三百公尺 的丝。问题是，蜘蛛无法密集家养(跟蚕不一样)， 它们生性好斗，独来独往，若养在同一处就会自相 残杀。,2.蜘蛛丝的研究过程与研究进展,仿蜘蛛丝研究背景,蜘蛛牵引丝力学性能优良，被誉为“生物钢” 一、强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大 二、强度是钢的5倍，韧性是Kevlar的3倍 三、它是一种以蛋白质为基质的高强材料，集 高强、高韧、轻质、可生物降解等优点于一身 蜘蛛牵引丝的用途 在防弹衣、微型手术缝合线、航空材料、复合 材料等领域有着巨大潜在的用途。,防弹背心,防割手套 防割不燃手套及臂套,防刺服,蜘蛛丝仿生纺丝的关键技术,1,2,利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进行表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯,蜘蛛所用的“纺丝液”是水作溶剂。“纺丝”前，“纺丝液”在丝腺内呈液晶态，并以晶型为主。在其成丝流动过程中， 结构向反向平行折叠结构转变并且丝条从水中分相出来，丝条一旦形成了反平行结构就不再溶于水。,国外的研究重点 蜘蛛丝蛋白的制备,转基因技术 转基因动物: 山羊 (Nexia CANADA) 转基因植物: 烟草, 土豆 细菌, 酵母,成功获得重组蜘蛛丝蛋白,如果能大量生产人造丝,1970年代后半，基因改造技术问世，局面因而有了戏剧性的发展，取蜘蛛丝的基因植入动植物体内，理论上就能大量产丝。 1980年计划启动，却因大自然的顽固而踢到铁板。事实证明，与胰岛素基因这项基因改造技术的的第一项重大成就相比，蜘蛛丝的基因比较难以驾驭。 2002年6月，美国麻省的国家陆军生物化学指挥中心和加拿大魁北克内克夏生物科技公司（ Nexia Bio-technologies）宣称，他们能用基因改造山羊的乳汁来大量生产蜘蛛丝。,实验过程如下,羊乳蜘蛛丝,第一代 BioSteel Goa 图片来源.tw,将蛛丝强度最强的人面蜘蛛基因移植到山羊的乳腺细胞，第二代山羊产下的羊奶，有三分之一可以分离出高含量的蜘蛛丝蛋白，并成功模仿了蜘蛛，于2002年1月生产出世界上首例“人工蜘蛛丝”。他们计划二年后，要用蜘蛛丝蛋白开发人工韧带，让蛛丝走进人类医学世界。,如果能大量生产人造丝,第一种正式用于防弹背心的人造丝是克维拉纤维， 这是一种更坚韧的尼龙变体，发明于1963年。 但即使尼龙、克维拉和其他纤维已成为不可或缺的 工业原料，蜘蛛丝过人的特性依旧魅力难挡。,克维拉纤维,如果能大量生产人造丝,当今与蜘蛛丝相似度最高的人造纤维是尼龙与克维 拉纤维，后两者都是在高温环境下利用有毒的化学 原料所生产，而且会产生有毒废弃物。奈西亚总裁 兼执行长透纳便强调：我们用的是水和干草；尼 龙的半生期长达五千年，你得在地面挖个坑把它埋 起来。我可不愿意把这样的地球留给子孙。,如果能大量生产人造丝,2003年10月：由于后来生产的生物钢在质与量两方 面均不符需求，美国军方和奈西亚的合作关系只得 告终。 2004年：将之纺成普通纱线与布料的开发案暂时中 止。理由是要产量兼具价格竞争性与卓越力学特 性的蜘蛛丝织品时，遭遇到接踵而至的技术障碍。 2005年3月8日：蜘蛛丝宣告终结。 究竟哪里出了错？蜘蛛是怎么吐丝的？依样画葫 芦为何如此困难？,蜘蛛丝的化学成分是关键吗？,蜘蛛丝在蜘蛛体内为流体，从吐丝弃吐出后才成为 固态丝，那么，蜘蛛的秘密究竟是藏在液体的复合 成分里，还是吐丝器内所发生的事呢？ 尼龙于1933年初次亮相四年后，有人在处理其他纤 维时发现，尼龙一旦形成，若将纤维拉长冷却，便 能大幅提升其韧性。也就是说，喷丝头内部的物理 抽丝过程，收到了类似蜘蛛丝的某种效果。,蜘蛛丝的化学成分是关键吗？,像制造蜘蛛丝这类的大型基因，若要尝试视之在其 它生物体内正确无误地执行工作，总是很难如愿。 美国波士顿近郊塔弗兹大学，生医工程学家卡普兰 ：每当把基因转植到大肠杆菌、酵母菌或哺乳动 物的细胞菌，你就是会漏失一些东西。 我们多年来 尝试要复制出牵引丝，但每次一将基因植入大肠杆菌，牵引丝就会缩水到非常少 。,蜘蛛丝的化学成分是关键吗？,奈西亚制造的丝，尽管已较早期的人造蜘蛛丝分子 大得多，却还不是完整的分子大小，仍然看不出蜘 蛛丝的完整序列。面对奈西亚所遭遇的难题，有两 派主流意见：一派认为关键在完整的蛋白质序列， 只要彻底了解它，你就成功了；另一派说法也不否 定蛋白质组成的重要性，却更强调纺纱过程中所发 生的物理与化学变化。,蜘蛛丝的化学成分是关键吗？,怀俄明大学的路易斯持续探索蜘蛛丝的整体结构。 他于2003年10月表示：我当然要相信我们能够完全解出蜘蛛丝的结构。 它们不过是固态的蛋白质，一定会符合蛋白质的特性。 它们呈固态，所以难度较高，但不是不可能。,纺丝过程才是关键因素？,至于奈特，他离开牛津大学动物学系后，成立了纺 丝公司。这家公司致力于制造专业丝品，着重于 纺织程序，并已取得一项设备专利，能够模拟发生 于蜘蛛吐丝器里的一部分过程。塔弗兹大学的卡普 兰则下了许多功夫，研究拟胶态的丝在访成纱之前 的各种不同状况，也利用重组丝制造薄膜和海绵。,因此，正当奈西亚以一季烧掉250万加币的速度，拿基因改造蜘蛛丝进行一场高科技豪赌之际，奈特则游说英国政府，取得英国工商部14万2千英镑的补助，改善他那获得专利的纺丝程序。,绿色造丝理念,奈特的手法和奈西亚不一样。他在实验室里养了许多蜘蛛，还有其他动物，而它们全都合作愉快。奈特的贡献在于，他对蜘蛛吐丝器内发生的是瞭若指掌，包括除去水分、离子交换与分子排列等方面；对他而言，这就是造丝的关键。,绿色造丝理念,奈特发明的纺丝器已取得专利，能处理多种不同的溶液。这种设计也让蛛丝还位于喷头内、尚未成形时，预先进行必要的离子交换。我们拿这种合成纤维的纺丝流程作个有趣的比较蜘蛛体内，溶液是一面通过吐丝器、一面酸化，而奈特的许多种合成纤维则是直接抽自酸槽。,丹麦阿赫斯大学的研究人员发现：蜘蛛造丝的蛋白质与酸接触时，它们。用这种方法生产的人造基因蜘蛛丝比钢强4至5倍，而且具有如蚕丝般的柔软和光泽。,绿色造丝理念,奈特：我们发现了另一种丝，生产来源不是卵囊 的丝，而是一种废弃物。这种丝的来源完全不同， 我直到今年夏天才搞清楚它是一种丝。这种原料被 当作副产物丢弃，因此完全不用钱。我不能透露太 多，只能说有很大的潜力。我只能告诉你，我们正 在找的丝来自人体。,绿色造丝理念,“蜘蛛丝公司不见得成功，但终究有人会靠着拷贝 天然蜘蛛丝这个点子而成功。”这是奈特在访谈中 最后说的一段话。但蜘蛛丝的状况在2003年10月当 时看来却不甚乐观。同年10月31日，从纺丝专家阿 西迪亚口中得知，美军与奈西亚的合作划下句点， 随即看到奈西亚在公司声明中宣布他们的挫败。因 此奈特当下正紧追着他那谜样的人体丝来源。,蜘蛛丝并非所有问题的解答,我们不可先入为主地认为，天然丝不经修饰就能当 作长期荷重的材质，天然丝不可能像钢丝那样吊起 金门大桥。 2004年4月，材料研究学会，加州大学麦塞德分校化学家维尼(Christopher Viney),蜘蛛丝并非所有问题的解答,传统实验室的强度、硬度与韧度测试，并未反映出 蜘蛛丝在真实世界的表现。理由之一是，尽管蜘蛛 丝自吐丝器吐出时会干燥并且硬化，但仍保有对水 的亲和力，亦即当蜘蛛丝受潮时，长度会缩小一半 ，而且变得极有弹性，受拉扯时则可伸展达三倍， 不同于常态下的三至四成。,蜘蛛丝并非所有问题的解答,除了水的问题外，连蜘蛛丝最有价值的冲击吸收力 也备受质疑。蜘蛛网能捕捉苍蝇等大型猎物却不反 弹，也许可用以制作防弹背心及航空母舰的拦阻索 。但蜘蛛丝延展幅度达百分之四十，根本挡不住子 弹；拦阻索方面，蜘蛛丝确实能吸收大量能量，然 而能量不灭，温度必定会相当高，热度可能足以融 化绳索。,控制纺丝程序便是关键？,2004年2月，生医工程学家卡普兰在倒是相当乐观。 早在1994年，生医工程学家卡普兰就与奈特针对蜘蛛丝蛋白序列合撰了一篇重要的论文。他们英雄所见略同，都认定蜘蛛的秘密在于抽丝成形的物理过程。,除了蜘蛛自行制造小而美的蛛丝，以及山羊用乳汁制造蜘蛛丝之外，可能还有第三条路：运用蜘蛛的干细胞，产生大量的造丝细胞。我们已经走了很远的路，虽然尚未抵达终点，但过去十几年来认真与这个课题朝夕相处的人都毫不怀疑，蜘蛛丝织品有朝一日终将现身。,蜘蛛丝还在等待春天,蜘蛛丝的完结篇还遥遥无期。它至今已持续上演了约二十年，而材料科学家之间的看法也仍然分歧，一派人认为蜘蛛丝是种了不起的材质，本身也相当值得研究，但仅止于此；另一派人则相信，它一定会启发我们创造出某种同样强韧的产品。别忘了，人们发现尼龙后整整四年