（材料学专业论文）仿蜘蛛吐丝技术初步研究——以家蚕丝素蛋白质为模型.pdf

垂年太掌博士学位论文摘要 摘要 蜘蛛丝以其优异的性能、独特的内部结构，启发了人们对材料设计和材料创新 的新思路。随着基因工程技术以及生物材料技术的迅猛发展，大规模地开发和利用 蜘蛛丝已经成为新的研究热点。对蜘蛛丝的研究包括基因的克隆、表达，合成蜘蛛 丝的研究以及利用蜘蛛丝蛋白进行新型纺丝的研究已经取得了一些成绩。本文简要 总结了人类对模仿蜘蛛吐丝的仿生纺丝技术的研究现状，提出了即使是利用转基因 技术在细菌、动植物体内进行表达或者是人工化学合成出与之相同的丝蛋白，也需 要有与之相同的仿生纺丝技术和合适的纺丝条件进行纺丝加工，才能生产出具有优 良性能的纤维。本文认为，即纺丝条件对纤维性能与结构有着重大影响。在目前尚 无法获得大量可供实验用的蜘蛛丝蛋白质的情况下，本论文以家蚕的丝素蛋白质为 模型，对仿生纺丝技术进行一些前期探索性的研究。 为了给今后仿生纺丝研究提供一个较合适的制备再生丝素蛋白质溶液的方法， 本论文首先以l i b r 为溶剂溶解丝素蛋白，分别用再生纤维素透析袋法、内压式中空 纤维膜超滤法、b i o m a x ( 商品名) 平板膜超滤法和超滤一透析法对再生丝素蛋白质 溶液的脱盐提纯进行了研究，结果发现：用超滤透析法除盐以提纯丝素蛋白，回收 率平均可达7 4 2 w t ，略低于透析袋法( 8 5 7 w t ) ，但其他方面都具有明显的优势， 如剪利用该法可批量制备再生丝素蛋白质水溶液，由此为仿生纺丝技术的深入研究 提供了原料保障。 本文还探讨了丝素蛋白在新的溶解纤维素的溶剂n 一甲基吗啉一n 一氧化物一 水合物( n m m o i - 1 2 0 ) 中的溶解行为，发现由再生丝素蛋白水溶液制得的再生丝 素膜易于溶解在n m m o i - 1 2 0 中，并可以得到浓度高达2 5 w t 的再生丝素 n m m o h 2 0 溶液。在上述研究的基础上，本文还利用h a a k er s l 5 0 l 型锥板流 变仪研究了再生丝素n m m o h 2 0 溶液的流变性能，讨论了剪切速率、温度和溶 液中的再生丝素蛋白的含量对再生丝素n m m o h 2 0 溶液流变性能的影响，本文 随后进行了纺丝实验及纤维结构的表征。实验结果表明：再生丝素n m m o h 2 0 溶液属于切力变稀流体；溶液的表观粘度随溶液浓度的提高而增大，非牛顿流动性 蓐竿太擘博士学位论文摘要 加强；溶液比较适合于加工的重量百分比在2 0 w t 2 5 w t 之间，合适的加工温度 在8 5 1 0 0 。c 之间；随溶液浓度的提高，溶液的粘流活化能增加，这表明随浓度升高， 溶液流变性能对温度变化更敏感；高浓度的再生丝素n m m o h 2 0 溶液有良好的 可纺性，纺制出来的再生蚕丝纤维，强度为3 0 8 c n d t e x ，稍低于天然蚕丝纤维的强 度( 3 0 3 5 8 c n d t e x ) 。 为了进一步证明纺丝条件对纤维性能与结构有重大的影响，证明在高分子化学 结构相同的条件下由于聚集态结构的改变会引起纤维性能的改变，本论文以家蚕丝 为研究对象，改变其一个吐丝条件吐丝速度，并用拉曼光谱、偏光显微镜和扫描 电镜等方法检测所得到的纤维的构象及其相应的变化、纤维形态结构和力学性能的 变化。作为对照，本文还在英斯特朗( i n s t r o n ) 5 5 6 5 型万能试验机上测定了不同牵 引速度下得到的大腹圆蛛牵引丝的力学性能。实验结果证明：在一定的速率范围内， 随蚕吐丝速度的增大，经蚕的吐丝口吐出的丝受到的剪切应力也逐渐增大，纤度逐 渐变细，纤维拉伸过程更为充分，分子的结晶度增大，纤维的光学取向度增加，其 初始模量也随吐丝速度的增大而逐渐增加。改变蚕吐丝的条件，可以改善蚕丝的力 学性能。随着牵引速度的改变，蜘蛛牵引丝的强度、初始模量及断裂能也发生相应 的变化，但其断裂伸长基本保持不变。 为了给仿生纺丝工艺的确定提供指导，还需对与蚕体内浓度相近的再生丝素蛋 白水溶液的流变性能及其影响因素进行研究。本论文着重根据蚕体内天然丝素蛋白 浓度的变化范围，利用控制应力流变仪，对经透析除盐后得到的再生丝素蛋白浓溶 液的流变性能、以及金属离子对再生丝素蛋白浓溶液的流变性能的影响作了初步的 探讨。论文研究了各种浓度、尤其是较高浓度的再生丝素蛋白水溶液的流变性能， 探讨了应力、浓度、添加的金属离子种类及其含量等因素的影响。流变实验结果分 析表明：再生丝素蛋白水溶液在超过一定浓度后，随着剪切速率的增大，会发生剪 切增稠现象，溶液浓度越大，切力增稠现象越明显；在1 2 1 w t - 2 7 7w t 的浓度范 围内，随着再生丝素蛋白水溶液浓度的增加，临界剪切速率t 。，逐渐下降，两者具有 良好的线性关系；由剪切作用的结果和拉曼光谱分析及正交偏光下观察到的双折射 i i 吞年太雪博士学位论文摘要 结果，可以推测再生丝素蛋白溶液在受到一定的剪切应力作用后发生的剪切增稠现 象，可能是因为丝素蛋白质大分子从无规卷曲和a 一螺旋转变成1 3 一折叠构象所致； 天然丝素蛋白溶液对剪切作用敏感，与再生丝素蛋白水溶液相同的是，它们都有切 力增稠现象，且随浓度增加切力增稠现象加剧，但是，天然丝素蛋白水溶液发生切 力增稠的同时会析出白色不透明的、具有弹性的块状物，且在较低的浓度下即可发 生切力增稠现象；加入钙离子后，不同浓度的再生丝素蛋白水溶液的临界剪切速率 下降；与加入二价的钙离子临界剪切速率下降的结果相比较，加入一价的钾离子后， 临界剪切速率的变化规律性不强。 关键词：仿生纺丝，丝素蛋白，脱盐提纯，n 一甲基吗啉- - n - - 氧化物一水合物 ( n m m o h 2 0 ) ，纺丝条件，流变性能 l i i 蓐年太雪博士学位论文a b s t r a c t b i o m i m e t i cs p i n n i n gs t u d yo ns p i d e r b y s i l kf i b r o i na sam o d e l a b s t r a c t s p i d e rs i l k sh a v er e m a r k a b l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb yc o m b i n i n gh i g ht e n s i l es t r e n g t h w i t ho u t s t a n d i n ge l o n g a t i o na tb r e a k i n g t h ed r a g l i n e so fs p i d e r sh a v eb e c o m et h eh o l y g r a i lo fm o d e mp o l y m e rf i b r e sa n de x t e n s i v er e s e a r c hi sb e i n gd e v o t e dt ou n d e r s t a n d i n g a n d ，e v e n t u a l l y , t oc o m m e r c i a l l y c o p y i n g t h ed r a g l i n e s i l ko fs p i d e r b i o m i m e t i c s p i n n i n gs t u d yo ns p i d e rs i l kh a sb e c o m eo n eo fl e a d i n ga r e ai np o l y m e rs c i e n c e a sw e s h o w , m u c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h el a s td e c a d et oa t t e m p tt op r o d u c em a n - m a d es p i d e r s i l k t h e r ea r es t i l lt w ok e yi s s u e si nt h e s er e s e a r c h e s o n ei sc l o n i n ga n de x p r e s s i o no f s p i d e rg e n et ob a c t e r i a ，p l a n ta n dm a m m a lt og e ts p i d e rs i l kp r o t e i n a n o t h e ri s d e v e l o p i n gap r o p e rp r o c e s s i n gt os p i nm a n m a d es p i d e rs i l kp r o t e i n t h er e c e n t d e m o n s t r a t i o no fc l o n i n ga n de x p r e s s i o no fs p i d e rs i l kp r o t e i np r e s e n t sa ne x c i t i n g s c i e n t i f i co p p o r t u n i t ya n dt e c h n o l o g i c a lc h a n c et os t u d yo ns p i n n i n gm a n m a d es p i d e rs i l k p r o t e i n b e c a u s et h e r ei s s t i l ln o te n o u g hs p i d e rs i l kp r o t e i nt h a tc a nb es u p p l i e dt od o s p i n n i n ga n do nt h eo t h e rs i d e ，t h es i l k w o r mf i b r o i ni sv e r ys i m i l a rt os p i d e rp r o t e i n ，s i l k f i b r o i ni ss e l e c t e da sam o d e ls y s t e mi nt h i sw o r k i nt h i sp a p e r ，d e g u m m e db m o r is i l kf i b r ew a sd i s s o l v e di nl i b r - h 2 0s y s t e m t h e n t h es i l kf i b r o i ns o l u t i o nw a sd i a l y z e da g a i n s td e i o n i z e dw a t e r i no r d e rt oc h o o s ea n a p p r o p r i a t ew a y t op r e p a r et h er e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i ns o l u t i o n 限s f ) f o rt h eb i o m i m a t i c s p i n n i n gs t u d yi n t h en e a rf u t u r e ，s e v e r a lm e t h o d ss u c ha st r a d i t i o n a lr e g e n e r a t e d c e l l u l o s em e m b r a n e ，i n n e rh o ll o wf i b e rm e m b r a n e ，b i o m a xf i a tm e m b r a n ea n d d i a l y s i s - u l t r a f i i t r a t i o nw e r eu s e dt op u r i f yt h es i l k f i b r o i ns a l ts o l u t i o n t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h ew a yw h i c hc o m b i n e dt h ed i a l y s i sa n du l t r a f i l t r a t i o nc o u l dg r e a t l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e s a l i n a t i o n d u r i n gt h ew h o l eo p e r a t i o n ，t h es t o c ks o l u t i o n c o u l dr e m a i ns t a b l ew i t h o u tp r e c i p i t a t i o na n dt h er e c l a m a t i o nr a t er e a c h e dt o7 4 2 w t l o w e rt h a n8 5 7 w t o ft h et r a d i t i o n a ld i a l y s i sm e t h o d a l t h o u g ht h et r a d i t i o n a ld i a l y s i s i v a l m o s th a d1 1 0s h e a rs t r e s sa n dm a yr e c l a i mt h em o s ts i l k f i b r o i n ，i t sc o n s u m p t i o no f w a t e rw a sh i g h e ra n dt h ed u r a t i o nw a sl o n g e rt h a nt h a to fo t h e rm e t h o d s w h i l et h e h o l l o wf i b e rm e m b r a n em o d u l ea n dt h eb i o m a xf l a tm e m b r a n e c o u l db ec o n t a m i n a t e ds o e a s i l yt h a tt h ep e r m e a t i o nw a s l a r g e l yr e d u c e dg r e a t l l y i na d d i t i o n ，n m e t h y l m o r p h o l i n e - n o x i d e ( n m m o ) w a su s e da s s o l v e n tf o r r e g e n e r a t e ds i l kf i b r o i n ( r s f ) c o n c e n t r a t e ds o l u t i o n sw i t hr s fc o n t e n tf r o m10 w t t o 2 5 w t w e r eo b t a i n e db yd i s s o l v i n gr s ff i l mi nn m m o m o n o h y d r a t e ( n m m o h 2 0 ) t h es p i n n i n ga n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fr s f n m m o i - 1 2 0 s o l u t i o n sw e r es t u d i e db va s i m p l ep i s t o nt y p es i n g l ef i l a m e n ts p i n n i n ga p p a r a t u sa n dh a a k er si5 0r h e o m e t e r , r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c e so fs h e a rr a t e ，t e m p e r a t u r ea n dr s fc o n c e n t r a t i o no nt h e r h e o l o g i c a l b e h a v i o r so fr s f n m m o h 2 0s o l u t i o n w e r ed i s c u s s e da n dp r o c e s s c o n d i t i o n sf o rs p i n n i n gw e r es e l e c t e d t h es t u d i e ss h o w e dt h a t c h a r a c t e r i s t i co ft h e r s f n m m o h 2 0s o l u t i o n si ss h e a r - 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u ps p o o lt h a tw a sd r i v e nb yam i c r o m o t o r t h es i l k s a m p l e sw e r et e s t e db yr a m a ns p e c t r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，o p t i c a l p o l a r i z i n gm i c r o s c o p y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e da l s oo na ni n s t r o nt e s e t e r o u rd a t ad e m o n s t r a t e dt h a ts p i n n i n gs p e e ds i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dc r y s t a l l i n i t y , m o l e c u l a r o r i e n t a t i o na n di n i t i a lm o d u l u so fs i l k w o r ms i l k r a m a ns p e c t r o s c o p ys u g g e s t e ds o m e v 孚年太擘博士学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n c e si nm o l e c u l a rm o r p h o l o g yi nf i b r e sp r o d u c e du n d e ra r a n g eo fd i f f e r e n ts p e e d s w i t hi n c r e a s i n gr e e l i n gs p e e d s ，t h eb r e a k i n ge n e r g y , s t r e s sa n di n i t i a lm o d u l u so f s p i d e r s d r a g l i n es i l kw e r es t r o n g l ya f f e c t e d t h er s fw a t e rs o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n sw e r ep r e p a r e di no u rl a b t h e r h e o l o g i c a lb e h a v i o r so ft h er s fw a t e rs o l u t i o n sw i t ha n dw i t h o u tc a 2 + a n dk + i o n sw e r e s t u d i e di no u rw o r k i tw a sf o u n dt h a tas h e a r - t h i c k e n i n gp h e n o m e n o na l m o s ta p p e a r e di n a l lt h ec o n c e n t r a t e ds o l u t i o n t h ev i s c o s i t yo ft h es o l u t i o nb e c a m eh i g h e rg r a d u a l l ya n d t h es h e a r - t h i c k e n i n gb e h a v i o rb e c a m ea p p a r e n tw h i l et h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t h e o b s e r v e ds h e a rt h i c k e n i n gs t r o n g l ys u g g e s t sas h e a r - i n d u c e df o r m a t i o no fi n t e r m o l e c u l a r a g g r e g a t e sa si nc e r t a i ns y n t h e t i cp o l y m e rs y s t e m s t h ec r i t i c a ls h e a rr a t ei sd e f i n e da sa s h e a rr a t ea tw h i c ht h ev i s c o s i t yb e g i n si n c r e a s i n gi nt h es h e a rt h i c k e n i n gc u r v e w i t h i n t h er a n g eo fc o n c e n t r a t i o nf r o m1 2 1 w t t o2 7 7 w t ，t h ec r i t i c a ls h e a rr a t ed e c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gt h er s fc o n c e n t r a t i o n t h i si n c r e a s ei ns h e a rs e n s i t i v i t yi st h o u g h tt ob e r e s u l t e df r o ma ni n c r e a s ei ni n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef i b r o i nm o l e c u l e sa s t h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s t h eb i r e f r i n g e n c ew a so b s e r v e di nt h ec o n c e n t r a t e dr s f s o l u t i o nu n d e rs h e a r i n g t h r o u g hf u r t h e rr a m a n s p e c t r o s c o p ya n a l y s i s ，i ti si n d i c a t e dt h a t t h es t r u c t u r eo fs i l kf i b r o i nh a sc h a n g e df r o mr a n d o mc o i la n d o rah e l i xi n t o1 3 - s h e e tb y s h e a rs t r e s s i na d d i t i o n ，i ti sf o u n dt h a tn a t i v es i l kf i b r o i ni sm o r es e n s i t i v et h a nr s ft o s h e a r w h e nc a 2 + i o nw a sa d d e dt ot h er s fs o l u t i o nw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n s ，t h e c r i t i c a ls h e a rr a t ed e c r e a s e d h o w e v e r , c o m p a r i n gw i t ht h ec a 2 十i o n ，t h ec h a n g i n gr u l e w a sn o to b v i o u sw h e nk + i o nw a sa d d e d k e yw o r d s ：b i o m i m a t i cs p i n n i n gs t u d y , s i l kf i b r o i n ，d i a l y s i s - u l t r a f i l t r a t i o n ， n - m e t h y l m o r p h o l i n e - n o x i d e ，s p i n n i n gc o n d i t i o n ，r h e o l o g i c a lb e h a v i o r v l 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：聊倪 、厅垆 日期： ) l f 年7 月岁。e l 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 l 、 保密毋在j 生年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名。吁篪 日期：2 d 牛年7 , 9 ；。日 指导教师签名：1 伊万孕警 蹶p 降 c 其如 蓐年太雩博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 引言 丝蛋白是一类由活的生物有机体分泌的液态纤维状蛋白质纺制而成的天然 纤维。这些纤维是具有优异力学性能的天然有机高分子材料。这些液态纤维状蛋 白质可以由包括家蚕( 和其它鳞翅类昆虫的幼虫) 、蜘蛛、蝎子、蚊子和苍蝇等 生命有机体内的特殊的腺体所产生，但是不同的生物体合成的原纤蛋白的性质、 组成和表面形态有很大的差别，以蜘蛛为例，许多蜘蛛体内合成的不同的丝蛋白 具有不同的功能。 在过去的5 0 0 0 多年里，蚕丝因其优良的服用性能，己广泛应用于纺织行业。 近年来，蜘蛛丝和一些水栖动物分泌的丝液也开始被大量的研究。人类在很早以 前就开始从事养蚕业，在养蚕、缫丝、丝织等方面取得了令人惊叹的成就。在蚕 的生长周期中，蚕从幼虫开始生长变为蚕蛾，人们正是利用蚕在此过程中由蚕丝 腺分泌的丝素、丝胶所形成的茧丝进行缫丝加工，进而制成各种丝织产品，该项 技术已经相当成熟和普及。而蜘蛛丝还不能被用作纺织材料，主要有两个困难： 第一，蜘蛛非常难于大规模饲养，因为它们是独居动物，集中饲养会相互吞食来 取代给它们提供的食物；第二，由蜘蛛网提供的蜘蛛丝原料非常有限，而且不能 像从蚕茧中抽丝那样进行单根纤维的卷绕。 但人们很早就开始利用蜘蛛网进行伤口包扎，捕鱼等。蜘蛛丝具有明亮的光 泽和十分有趣的电磁感应现象，特别是在紫外光区，可以用来诱捕昆虫【l j 。目前 这种纤维的唯一应用是用作光学仪器上的十字线，这是由于它直径很细( 低于1 0 微米) 、强度很高、在一定温度范围内具有稳定性。近一、二十年来，世界各国 的科学家对蜘蛛丝的研究相当深入，美国陆军n a t i c k 研究所杜邦公司等，均就蜘 蛛丝的分子结构和力学性能做了较多的研究工作，取得了引人瞩目的成绩。 蜘蛛丝，尤其是牵引丝( d r a g l i n es i l k ) 在力学性能上具有蚕丝及一般合成纤 维无法比拟的突出优点，主要表现在：强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大， 它是迄今为止所知道的最强韧的材料，其比强度是钢的5 倍，韧性是芳纶纤维 誊年太孝博士学位论文第一章文献综述 ( k e v l a r ) 的3 倍。据称，利用根直径为5 毫米的蜘蛛拖网丝缆绳可以强制停 住一架全速飞行的波音7 4 7 客机【2 1 。因此，此种材料在国外被誉为“生物钢 ( b i o s t e e l ) ，在航空材料、复合材料等领域有着巨大的潜在用途，可以用作降 落伞绸、防弹衣、外科手术缝合线等。 1 2 蜘蛛丝 1 2 1 蜘蛛的丝腺 大约有3 0 0 0 0 多种蜘蛛和其它一些昆虫都可以产生不同类型的丝，但迄今为 止只有蚕丝得到大量而细致的研究。1 9 7 0 年g o s l i n e 实验室公开发表关于蜘蛛丝 物理机械性质和化学性能的研究成果，重新燃起了人们对蜘蛛丝的兴趣。更进一 步的研究主要集中于马达加斯加的蜘蛛品种金圆网蜘蛛( n e p h i l ac l a v i p e s ) 分泌 的牵引丝( d r a g l i n es i l k ) 。 蜘蛛丝由位于蜘蛛腹部的腺体合成，然后经过纺丝管和喷丝口牵引纺出，其 纺丝器的结构要比蚕的吐丝器复杂得多。蜘蛛体内有多达七种能分泌液状丝的腺 体，但不是所有种类的蜘蛛都同时具有这七种腺体，以n e p h i l ac l a v i p e s 为例，它 的腹部有七种腺体：大囊状腺、小囊状腺、葡萄状腺、犁状腺、管状腺、鞭毛状 腺、集合状腺( 见图1 1 ) 。与蚕相似的是，蜘蛛腺体内储存的是液状丝蛋白，当 液状丝蛋白从腺体至吐丝口之间的输送管道流出时形成了丝纤维，其间液体蛋白 转化为固体纤维，并发生相应的物理化学变化。不同腺体分泌的丝纤维在蜘蛛的 生命活动中起着不同的作用( 见表1 1 ) ，其特性也有很大的差异。 表1 1n e p h i l ac l a v i p e s 的7 种丝腺体产生的丝及其功能f 3 l 丝腺名丝名及其功能 大囊状腺( m a j o r a m p u l l a t e ) 小囊状腺( m i n o ra m p u l l a t e ) 管状腺( c y l i n d r i c a l ) 鞭毛状腺( f l a g e l l i f o r m ) 梨状腺( p y r i f o r m ) 葡萄状腺( a c i n f o r m ) 集合状腺( a g g r e g a t e ) 牵引丝、放射状丝、构成网骨架的框丝 牵引丝、框丝 包卵的卵茧丝 网的横丝 附着盘 捕获丝 横丝表面的粘性物质 2 孽年天爹博士学位论文第一章文献综述 图1 1 蜘蛛体内的七种腺体 1 2 2 蜘蛛丝的力学性能 蜘蛛纺出不同的丝，有不同的机械( 力学) 性质。蜘蛛的牵引丝具有很高的 强度和韧性，力学性能最好。大量的研究表明，牵引丝的强度明显高于蚕丝、橡 胶、合成纤维，与钢筋束的强度相近，仅低于凯夫拉；牵引丝伸长与蚕丝及合成 纤维相似，高于钢筋、棉和凯夫拉，因而韧性很好；断裂能最大( 见表1 2 ) ，弹 性好，当伸长至断裂伸长率的7 0 时，弹性恢复率仍可高达8 0 - - - 9 0 。尽管蜘 蛛丝的刚性不如钢丝，强度不如凯夫拉，但其优点是韧性最好，断裂能最高而质 地最轻。凯夫拉等材料一般随负荷量增加，其强力和初始模量也增加，弹性降低 而韧性有限。蜘蛛丝随负荷量增加，在其强力和初始模量增加的同时其弹性也随 之增加，因此韧性好而断裂能高。作为网结构的组成部分，蜘蛛丝具有重要的自 然特性，它能用最小的能量消耗和最少的丝物质来结网，能在飞虫撞网时吸收撞 击的能量不致使网破裂，能把猎物带来的冲击能分散在较大面积的网上。蜘蛛丝 的机械性质受含水量的影响较大，干丝较脆，当拉伸超过其长度的3 0 时就断裂； 而湿态时，丝则有很好的断裂伸长。蜘蛛丝有很好的收缩性，在水中，大囊状腺 产生出来的牵引丝能收缩为其长度的一半，小囊状腺产生的丝在水中不收缩。牵 引丝浸入水中及其它各种溶剂中的另一重要特征是会产生超收缩 磊竿天季博士学位论文 第一章文献综述 ( s u p e r c o n t r a c t i o n ) 1 4 , 5 , 6 ，在常温下处于湿润状态时，相对湿度达到9 0 或更高 时可收缩至不足原长的6 0 ，同时其力学性能也会发生明显的改变，初始模量和 强度下降，伸长率增加，但仍然有很高的弹性恢复率。随着溶剂极性的增加，杨 氏模量和断裂强度逐渐下降，断裂伸长率有所增加【7 8 。 表1 2 蜘蛛丝和其它纤维的力学性能比较【9 l o ，】 1 2 3 蜘蛛丝的微观结构和化学结构 在显微镜下观察，蜘蛛丝结实、光滑、内部结构透明、没有孔隙，结构和蚕 丝非常相似。但蜘蛛丝的横截面是圆形，而蚕丝的横截面近似三角形。蜘蛛丝是 单根纤维、没有包覆在表面的水溶性的丝胶，而一根蚕丝包含由丝胶粘附在一起 的两根单纤维。蜘蛛丝在水中会发生截面膨胀而径向收缩，它的化学反应特性与 蚕丝相似。 虽然蜘蛛丝与蚕丝没有紧密的联系，但从组成成分来看，它们的丝蛋白是相 似的，都含有0 【螺旋结构，像羊毛中的角蛋白质一样。虽然人们对许多种丝进行 过一些表征，但是只有桑蚕丝和n c l a v i p e s 牵引丝的蛋白质组成和氨基酸序列得到 极为详尽的研究，表1 3 是它们的氨基酸组成【1 2 , 1 3 】。 4 蓐半天学博士学位论文 第一章文献综述 表1 3 桑蚕丝和n c l a v i p e s 的牵引丝的氨基酸组成 值得一提的是，蜘蛛丝中含有数量相对较多的谷氨酸，在以往的研究中只在 柞蚕丝中发现过这一现象。最近越来越多的研究资料分析表明，蚕丝和蜘蛛丝中 都含有数量较少的其它一些氨基酸组份。 根据v o l l r a t h 的研究，蜘蛛纺丝的方法和蚕很相似。蚕丝的形成过程中， 是由家蚕后部丝腺大量分泌的液体丝素，在往中部丝腺流动的过程中浓度缓慢增 亏年太亏博士学位论文第一章义献综述 加，并形成凝胶状为中部丝腺分泌的丝胶所包覆，凝胶状物质再从中部丝腺经前 部丝腺到达吐丝管，此外，液状丝素在蚕体内有一个成熟期，在成熟期内，液状丝 素蛋白从最初的无规卷曲和c l 一螺旋结构逐渐形成液晶有序态，最后经过前部丝 腺吐丝管的剪切作用而发生相分离，依靠头部的摆动进行牵伸形成纤维：而蜘蛛 的纺丝液不需要成熟过程，大囊状腺内的纺丝液就是一种液晶结构( 这种纺丝液 是一种大分子有序且相互平行排列的向列型液晶) ，纺丝管道逐渐细化和呈双曲 线几何形状迫使纺丝液沿着管道缓慢流动，其所受到的剪切力作用导致纺丝液在 离开喷丝孔时发生相分离，而最终的牵伸发生在其离开喷丝口后的空气中，形成 具有稳定的1 3 折叠片状结晶结构的丝纤维，此过程中伴随着水分的进一步蒸发。 研究人员引入了人工控制蜘蛛纺丝的方法，通过改变牵引速度 ( o 1 - 4 0 0 m m s 。) 和环境温度( 5 - 4 0 。c ) 得到一系列未被污染的蜘蛛牵引丝用于 蛋白质的氨基酸分析或机械性能的研究 1 5 , 1 6 , 1 7 】。由大囊状腺产生的牵引丝至少含 有一种蛋白质，称为m a g s l ( 以前称作s p i d r o i ni ) ，由十二烷基硫酸钠一聚丙烯 酰胺凝胶电泳( s d s p a g e ) 分析，分子量在2 7 5 k d a 左右【i 引。迄今为止，对牵 引丝和直接从大囊状腺内提取出的丝液所进行的详细的氨基酸分析显示，牵引丝 中只有一种蛋白质。但是，不能确定其它蛋白质是否存在，由大囊状腺内的遗传 物质进行克隆以后的基因分析结果显示，在牵引丝里还存在着第二种蛋白质【l 引， 该种蛋白质m a g s 2 在组成和氨基酸序列上都与s p i d r o i ni 非常相似，只是脯氨酸 的含量很高。m a g s l 和m a g s 2 在与溶解和成丝有关的c 末端( 肽链的头尾各 有一个没有用掉的氨基和羧基，一般把具氨基的一端称为n 末端，另一端具羧基 的称为c 末端) 的氨基酸序列非常相似【2 0 】。研究人员利用凝胶色谱法，用六氟异 丙醇和0 0 1 m 的三氟醋酸钠做共溶剂对n c l a v i p e s 的牵引丝和丝腺中的蛋白质进行 分子量分析，发现最高的分子量单峰出现在7 2 0 ，0 0 0 ( m n ) 左右，然后依次是 5 2 0 ，0 0 0 、9 6 ，0 0 0 ( m n ) 2 1 】。 m a g s l 所包含的氨基酸的重复片段要比家蚕丝素中的短很多，有六个氨基 酸聚集区域，其中一个聚丙氨酸区域由6 - 9 个残基组成，一个g g x 重复模型有 1 5 个氨基酸序列，其中g 代表乙氨酸，x 代表丙氨酸，酪氨酸，或谷氨酸盐。 根据m e l l o 等【1 5 】测出的序列数据：a a g g a g q g g ( q 代表谷氨酸盐) 片段和 6 y g g ig s q g a g r g g ( a 代表阳钮酸，i 代表亮氰簸，r 代表特氰酸) “段在翻： 分【二知的m a g s l 厅别巾分别巫复1 0 次删1 4 次。 _ l j ：了c l a v i p e s 的西乏引丝以外，小囊状腺丝液( m i a g s ) 的氨基酸序列数据也 已经有了报道。研究4 i - x 十n c l a v z p e s 的各种趁腺中提取出水的雉液进行了初步研 究，其结果为不同尺寸结晶区的存扯提供了直接的证据。这个结论是建往偏光 显微镜观察结粜的基础上的，不同丝腺中的丝液在干燥过程中会形成向列形液晶 态，在偏光显微镜f 会观察到一定的光学织构。 1 2 4 蜘蛛丝的形成 本文以。“v 的牵引丝为例介绍蜘蛛先进的纺丝技术。幽l2 给出r 蜘蛛 纺丝管不同部分