（纺织材料与纺织品设计专业论文）再生蜘蛛丝的成丝方法及其结构与性能.pdf

再生蜘蛛丝的成丝方法发1 结构! 竹锄摘要 摘要 蜘蛛丝是一种轻质的其有商强度和高弹性的蛋白质纤维，因此可应用于纺织服 装、纤维增强复合材料等领域。此外，蜘蛛丝具有的生物柏容性还使其能应用于生物 医学领域。近来已经用綦因移植的方法成功地合成了人造蜘蛛丝蛋白，从而使蜘蛛丝 蛋白质纤维的工业化生产成为可能。目前生产人造蜘蛛丝的最大障碍是还需要找到一 种合适的纺丝方法使这种丝蛋白成为具有接近于天然蜘蛛丝的材料。静电纺丝技术的 发展为人造蜘蛛丝的纺制提供了一种简单可行的方法。 本文以大腹圆蛛牵引丝和包卵丝为研究对象，在分析了再生蜘蛛丝溶液的成丝 性能的基础上，研究了静电纺再生牵引丝和包卵丝纤维膜的性能。主要内容如下： 研究了不同溶剂体系和工艺条件下的再生牵引丝溶液和膜的性能，以期找到一 种合适的纺丝溶液。s d s 凝胶电泳的结果显示以溴化锂( l i b r ) 为溶剂的再生牵引丝 溶液比以六氟异丙醇( h f i p ) 为溶剂的溶液有更宽的分子量分布；用拉曼光谱研究 了由溴化锂为溶剂得到的再生牵引丝膜，发现其分子构象包含a - 螺旋、b 一折叠和无 规卷曲三种结构；用傅立叶红外光谱( f t i r ) 研究了以h f i p 为溶剂的牵引丝膜，发 现其构象以a 螺旋和无规卷曲为主；拉曼光谱显示成膜温度对以溴化锂为溶剂的再 生蜘蛛丝膜的分子结构影响不大：实验显示以h f i p 为溶剂的再生牵引丝溶液较l i b r 溶剂体系下有更好的成丝性能。 用静电纺丝的方法得到了再生牵引丝和包卵丝的纤维膜( e r d s f 和e r e s f ) 。 牵引丝和包卵丝都溶解在h f i p 中作为静电纺的溶液。分别用扫描电镜、x 射线衍射、 f t i r 、差示扫描量热法( d s c ) 和电子纤维强力仪测试了e r d s f 和e r e s f 的形态， 结晶结构，二级结构、热性能和力学性能。研究了电场强度和喷丝口到接收屏距离对 纤维形态的影响。发现静电纺的牵引丝和包卵丝比天然蜘蛛丝的结晶度高得多： e r d s f 和e r e s f 都包含。一螺旋，1 3 折叠和无规卷曲的分子结构；e r d s f 和e r e s f 具有与天然蜘蛛牵引丝和包卵丝相似的耐热性能；e r d s f 比e r e s f 具有更优异的力 学性能，放置一周后这两种纤维膜的断裂强度都下降，断裂伸长的变化则不明显。 用甲醇处理e r d s f 和e r e s f 以改善其性能，x 一射线衍射的结果显示经甲醇处 理后的e r d s f 和e r e s f 的结晶度都大为增加；f t i r 的结果表明这两种膜材料经甲 生蜘蛛丝的成丝方法发1 结手句1 i 性能摘要 醇处理后分子构象都山a 蝶旋无规卷曲向b 折叠结构转变；d s c 曲线显示q 1 醇处 理后e r d s f 和e r e s f 的1 r g 都上升；拉仲测试结果发现e r d s f 和e r e s f 的断裂强 度大恫上升，但断裂伸长率都下降。 关键训：蜘蛛丝，静电纺丝，结品结构，分子构象，力学性能。 作者：许箐 指导教师：潘志娟 2 0 0 5 年4 月 ! 生! ! ! 型坚! 竺! 生竺! 垡塑! ! ! ! ! 型! e ! ! ! 型! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! 竺竺12 竺里竺! 竺 垒生! 竺! ! a b s t r a c t s p i d e rs i l ki saf l e x i b l e ，l i g h t w e i g h tf i b e rw i t he x t r a o r d i n a r ys t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， t h u si tc o u l dh a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si ni m p a c t p r o o ft e x t i l e so ro t h e rs t r u c t u r a l f i b f i c sw h e r es t r o n g ，f l e x i b l em a t e r i a l sa r ed e s i r e d m o r e o v e rt h ei n h e r e n tb i o c o m p a t i b i l i t y o fs i t kc o u l db ee x p l o i t e di nt h ef i e l d so fc o n t r o l l e dr e l e a s eb i o m a t e r i a l sa n ds c a f f o l d sf o r t i s s u ee n g i n e e r i n g r e c e n ts u c c e s si nt h ei d e n t i f i c a t i o na r t i f i c i a ls y n t h e s i sa n de x p r e s s i o n o f g e n e sc o d i n gf o rs p i d e rs i l kp r o t e i n sh a v eo p e n e dt h ep o s s i b i l i t yo f b i o t e c h n o l o g y b a s e d l a r g e - s c a l ep r o d u c t i o no f s p i d e rs i l kp r o t e i n s ac h a l l e n g i n g a v e n u eo f r e s e a r c hr e m a i n si n l e a r n i n gh o w t op r o c e s st h er a wp r o t e i np o w d e ri n t om a r k e t a b l es t r u c t u r a lm a t e r i a l s t h ed r a g l i n es i l ka n de g g c a s es i l ko fa r a n e u sv e n t r c o s u ss p i d e r sa r ec o l l e c t e da s o u rs t u d yo b j e c t t h ec o m p a r a t i v es t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fr e g e n e r a t e ds p i d e rd r a g l i n es i l ks o l u t i o n o b t a i n e di nd i f f e r e n ts o l v e n t sa n dt e c h n o l o g i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fs d sg e l e l e c t r o p h o r e s i ss h o w e dt h es i l kd i s s o l v e di nl i b rh a d w i d e rm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n t h a ni nh f i p t h es e c o n d a r ys t r u c t u r e so ft h es i l kf i l mc a s tf r o mt h el i b rs o l u t i o nw e r e a h e l i x 1 3 s h e e ta n dr a n d o mc o i l b u tt h ef i l mo b t a i n e df r o mh f i ps o l u t i o nw d o m i n a t e d b yo - h e l i xa n dr a n d o mc o i l r a m a ns p e c t r as h o w e dt h ec o n f o r m a t i o no fs p i d e rs i l kf i l m d r i e df r o m l i b rr e g e n e r a t e ds p i d e rs i l ks o l u t i o nd i d n th a v eo b v i o u sc h a n g ew i t h t e m p e r a t u r e t h er e g e n e r a t e dd r a g l i n e s i l ks o l u t i o nu s eh f i p 嬲s o l v e n th a sb e t t e r s p i n n a b i l i t yc o m p a r e dw i t l ll i b r , e l e c t r o s p i n n i n gw a su s e dt of a b r i c a t en a n o s c a l ef i b e rm a t so f a r a n e u sv e n t r i c o s u s d r a g l i n es i l ka n de g g c a s es i l k ( e r d s fa n de r e s f ) b o t hd r a g l i n ea n de g g c a s es i l kf i b e r s w e r ed i s s o l v e di nh f i ps o l v e n ta ss p i n n i n gs o l u t i o n s t h em o r p h o l o g y ，c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e ，m o l e c u l a rc o n f o r m a t i o n sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e db y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，w i d ea n g l ex r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) ，f t i r s p e c t r o s c o p y ，d s ca n de l e c t r o n i ct e n s i l ei n s t r u m e n t ，r e s p e c t i v e l y e f f e c t so f e l e c t r i cf i e l d a n dt i p - t o c o l l e c t i o np l a t ed i s t a n c eo nm o r p h o l o g ya n dd i a m e t e rw e r em e a s u r e d b o t ht w o ! ! ! ! ! ! 尘! 竺壁! 型型塑竺! 翌型型! ! 型! ! 鲤! ! 型! 型型竺! 业鬯苎壁 垒堕! ! 型 k i n d so fr e g e n e r a t e ds p i d e rs i l kf i b e r sw c r cw e l l - c r y s t a l l i z e dd u r i n gt h ep r o c e s so f e l e c t r o s p i n n i n g f t i rs p e c t r a r e v e a lt h a tt h ec o n f o r m a t i o no fa h e l i x b - s h e e ta n d r a n d o mc o i le x i s ts i m u l t a n e o u s l yi nd e c t r o s p u nr e g e n e r a t e dd r a g l i n ea n de g g e a s es i l k n a n o f i b e r s b o t he r d s fa n de r e s fh a v es i m i l a rt h e r m a lr e s i s t a n c ec o m p a r e dw i t h n a t u r a ld r a g l i n es i l ka n de g g c a s es i l k e r d s fh a v er e l a t i v e l yh i g h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h a ne r e s f a = e raw e e kl a t t e r , t h eb r e a k i n gs t r e n g t ho f b o t hf i l m sw e r ed e c r e a s e dw h i l e t h eb r e a k i n ge l o n g a t i o nw e r en o tc h a n g e ds om u c h b o t ht h ee r d s fa n dt h ee r e s fw e r et r e a t e dw i t hm e t h a n 0 1 t h ew a x dr e v e a l st h e d e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yo fb o t hf i l m sw c l eh i g h l yi n c r e a s e d t h es e c o n d a r ys t r u c t u r ew e r e i n v e s t i g a t e db yf t i r ，a h e l i xa n dr a n d o mc o i ls t r u c t u r ew e r et r a n s f o r m e dt ob s h e e tb y ap o s tt r e a t m e n tw i t hm e t h a n 0 1 t go fe r d s fa n de r e s fw c r eg o n eu pa f t e rt r e a t e db y m e t h a n o ls h o w e db yd s co l l l - v e s t h eb r e a k i n gs t r e n g t ho f b o t ht r e a t e df i l m sd r a m a t i c a l l y i n c r e a s e dw h i l et h eb r e a k i n ge l o n g a t i o nd e c l i n e d k e y w o r d ：s p i d e rs i l k ，e l c c t r o s p i n n i n g ，c r y s t a l l i n es t l t l c t t l r e , m o l e c u l a rc o n f o r m a t i o n ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y i i w r i t t e nb yx uq i n g d i r e c t e db yp r o f z h i j u a np a n a p r i l2 0 0 5 似生蜘蛛缝的成丝方法及其结构与性能瓤一章绪论 第一章绪论 随前全球经济的蓬勃发展，可持续发展问题已成为当今世界性的问题。近半个多 世纪以来，合成商分子材料的崛起为人们的生活带来了许多方便的同时，也面临着严 峻的挑战。使用后的产品无法循环使用和缺乏生物降解性，废弃物已带来了严重的“白 色”环境污染。而且，随着合成高分子材料的主要原料( 石油和天然气) 的日益枯竭， 面许缶着愈来愈大的危机。于是，生物材料的研究和开发成为新的热点。在天然生物材 料中，结构蛋白是一重要类别，包括胶原纤维、蚕丝和蜘蛛丝等。其中蜘蛛丝更以其 高强度、高弹性、高断裂功、低比重的优异性能引起了材料、生物、化学等领域研究 人员的极大兴趣，掀起了持续不断的研究高潮。 蜘蛛丝是大自然几亿年进化中创造的奇迹。早在1 7 0 9 年，人们就注意到蜘蛛丝 可以利用，甚至被做成手套和袜子，送往法国巴黎的科学院去展览。但是蜘蛛丝真正 引起人们的兴趣还是从1 9 7 0 年g o s l i n e 实验室关于蜘蛛丝物理机械性能和化学性能 研究成果的公开发表开始。特别是近一二十年来美国陆军n a t i cm a s s a c h u s e f l s 生物化 学研究中心( s b c c o m ) 、c o m e l l 大学d a v i dg r u b b 研究小组、加拿大n e x i a 研究小 组、l a r a m i e 怀俄明洲大学r a n d yl e w i s 课题组以及美国杜邦公司、英国牛津大学 f v o l l r a t h 研究小组等在蜘蛛丝的研究方面做了大量的工作。 可以毫不夸张地说，蜘蛛丝是自然界产生的最好的结构材料之一。从某种程度上 讲，蜘蛛丝的优良综合性能是各种天然纤维和合成纤维所无法比拟的，其比模量优于 钢而韧性优于k e v l a r 纤维f 1 1 ，被认为是作为降落伞和防弹衣的理想材料。此外，蜘蛛 丝良好的可生物降解性，生物相容性也使其具有良好的医疗用途，如可作为人造肌腱 和韧带，组织修复材料以及外科手术的缝合线等。但由于蜘蛛是肉食性动物而且不喜 欢群居，故难以批量饲养，因此睢一的途径是制造性能、结构与天然蜘蛛丝相似的人 造蜘蛛丝。近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的 生物技术，采用基因移植的方法研铜了人工合成蜘蛛丝蛋白。我国利用蒸因技术合成 蜘蛛丝噩白的研究也己起步。国内外关于人工合成丝蛋白的研究已取得了定的成 果。制造人造蜘蛛丝的关键还在于能将丝蛋白转变为高性能纤维的合适的纺丝工艺， 摊生蜘蛛丝的成丝方法及j 结构与性能 鼐一章绪论 国际知名学术期刊( m a c r o m o l e e u l e s 上曾在1 9 9 8 2 0 0 0 年间连续发表了关于人造蜘 蛛丝纺丝装置和纺丝工艺研究的文章，在人造蜘蛛丝纤维的纺丝工艺方面做了大量的 工作。但是用这种方法纺出的人造蜘蛛丝与天然蜘蛛丝相比，性能有很大的差距。近 年来，静f 坦纺丝工艺的发展为纺制人造蜘蛛丝提供了一种新的途径。 静电纺丝是得到纳米纤维最重要的基本方法。早在1 9 3 4 年，美国人f o r m h a l s l 2 】 就提出了静电纺丝的概念，然而对静电纺丝的大量实验工作和深入的理论研究却是近 十年中，随纳米纤维的开发才完成的。目前静电纺丝已经用于一百多种高聚物溶液及 熔体，既包括大品种的采用传统化纤生产的合成纤维，如用聚对苯二甲酸乙二酯、聚 酰胺、聚乙烯醇等半结晶高分子进行静电纺；也包括聚氨酯弹性体的静电纺；还有液 晶态的刚性高分子聚对苯= 甲酰对苯二胺、聚亚苯基、聚苯胺等的静电纺。此外，对 包括蚕丝、蜘蛛丝在内的蛋白质和核酸等生物大分子的静电纺实验也在进行中。国外 已利用蚕丝丝素为原料，采用静电纺丝的方法加工制备了蚕丝丝素纤维制品，同时研 究了该产品作为组织工程材料在促进细胞生长等方面的应用。而对于蜘蛛丝的静电纺 丝研究的较少，z a r k o o b 等第一次报道了静电纺n e p h i l ac l a v i p e s 蜘蛛的牵引丝【3 】。静 电纺纤维的最主要特点是所得纤维直径很细，由这些纤维所形成的无纺布是一种有纳 米级微孔的多孔材料，因此有很大的比表面积，加上蛋白质纤维所具有的生物相容性 和生物降解性，因此可被应用作为人造血管、伤口包覆材料以及组织工程的骨架材料 等【1 。 本章在概述国内外蜘蛛丝研究进展及静电纺丝的发展与应用的基础上，提出本课 题的研究目的和主要的研究内容。 第一节蜘蛛丝的研究进展 一天然蜘蛛丝 1 概况 蜘蛛是自然界的神奇动物，属节肢动物门、蛛形纲、蛛形目。它们的种类繁多， 实际种类可能为7 0 0 0 0 多种【”，而有记载的蜘蛛有1 0 5 个科，3 0 0 0 0 个属。蜘蛛丝对 阿生蜘蛛丝的成丝方法投j # 结构i 忡能第一章绪论 蜘蛛的生命至关重要，对其捕食、筑巢、繁殖等基本生命活动，是必不可少的工具和 手段。人们所见的蜘蛛网并非是一种，而是几种蜘蛛丝组成的，分别来自蜘蛛体内的 不同腺体，这些蜘蛛丝的氨基酸组成、性能以及在蜘蛛生命活动中的用途各不相同。 以圆蛛所结蛛网为例，圆蛛体内的7 种腺体分别为大囊状腺体( m a j o ra m p u l l a t e g l a n d s ) 、小囊状腺体( m i n o ra m p u l l a t eg l a n d s ) 、葡萄状腺体( a c i n i f o r ng l a n d s ) 、鞭毛 状腺体( f l a g e l l i t b r mg l a n d s ) 、集合状腺体( a g g r e g a t eg l a n d s ) 、梨状腺体( p y r i f o r m g l a n d s ) 和管状腺体( c y l i n d r i c a lg l a n d s ) 。从这些腺体内所分泌的丝的组成、结构、 性能和用途也各异。大囊状腺体产生的丝为牵引丝，强度高、韧性大，作为圆网框架 丝和自身运动的吊曳丝。小囊状腺体丝也可作为框架丝，其氨基酸组成基本与大囊状 腺体丝类似，但强韧性较低。另外，小囊状腺体丝经水浸渍不像大囊状腺体丝会产生 约5 0 的超收缩【6 1 。葡萄状腺体产生的蛛丝表面发糙，弹性大，用于捕捉猫物，一旦 捕获昆虫，由葡萄状腺体产生的丝立即缠绕捆缚住猎物，使其无法逃脱。蜘蛛产卵繁 殖后代所构筑的卵茧由管状腺所分泌的包卵丝构成。鞭毛状腺体丝用于蛛网的横向 丝，即为螺旋丝，其弹性大，黏性强。梨状腺体丝用于制作附着盘，而由集合状腺产 生的黏性物质附于横向丝表面也用于捕捉猎物。 对于蜘蛛丝的研究报道较多的蜘蛛为络新妇蛛( n e p h i l ac l a v i p e s ) 、十字圆蛛 ( a r a n e u sd i a d e m a t u s ) 和大腹圆蛛( a r a n e u sv e n t v o c o s u s ) 等少数几种，而对同一种 蜘蛛的蜘蛛丝研究也以大囊状腺体分泌的牵引丝为主。本文主要以我国分布较广的大 腹圆蛛所产的牵引丝和包卵丝为研究对象。 2 蜘蛛丝蛋白质组分的研究现状 蜘蛛丝的主要成分为蛋白质，如所有的蛋白质纤维一样，其组成长链蛋白质分子 的单元为带不同侧链r 的酰胺结构。不同种类蜘蛛丝所含氨基酸种类差异不大，为 1 7 种左右，但总的来说牵引丝、包卵丝中主要的氨基酸成分都是甘氨酸、丙氨酸、 谷氨酸、丝氨酸，同一蜘蛛的不同腺体内的丝蛋白的氨基酸组成也存在较大的差异。 牵引丝中含量最多的是甘氨酸、其次是丙氨酸，同时含有较多的谷氨酸和脯氨酸。研 究表明1 8 1 ( 引，聚丙氨酸分子链段为b 一折叠结构，主要存在于结晶区，甘氨酸含量较多 的氨基酸片段为3 1 0 - 螺旋或更复杂的结构。牵引丝中的谷氨酸和脯氨酸对分子结构有 m 生蜘蛛丝的成丝方法及j t 结构与性能第一章耋 论 重要作用，其侧链上的氨基和羧基使分子问的键合作用加强，而脯氨酸的存在将有利 于分子链形成类似于b 转角的弹性螺旋状结构，增加纤维的弹性。 对大腹圆蛛腺体丝蛋白的氨基酸分析发现，其组成与牵引丝的组成有一定的差异 1 7 j 。腺体内丝蛋白中的甘氨酸、脯氨酸的含量比牵引丝中的含量高，成丝后丙氨酸和 丝氨酸的含量增加，小侧基氨基酸的数量增多，酸性氨基酸减少。这种氨基酸组成的 改变会影响分子的空间形态和结构。 包卵丝是由管状腺分泌的，其功能主要是保护蜘蛛卵，使其能在卵袋内孵化而免 遭外界侵蚀。不管是大腹圆蛛还是十字圆蛛或黑寡妇，包卵丝中丝氨酸、天门冬氨酸、 亮氨酸和苏氨酸含量比其他功能蜘蛛丝纤维及丝素大得多，但甘氨酸、酪氨酸和脯氨 酸含量都比牵引丝低得多。 关于蜘蛛丝蛋白的数目以及分子量的大小有各种不同的研究结果。c a n d e l a s 和 c i n t r o n 8 1 以及m e l l o 与其合作者【9 1 采用凝胶电泳法测定得到n e p h i l a 牵引丝中蛋白质 的分子量为3 2 0 ，0 0 0 、2 7 5 ，0 0 0 。l e w i s 的研究结果f l o 】显示：这种蜘蛛丝中有两种蛋 白质分别为m a s p l 和m a s p 2 。1 9 9 5 年j a c k s o n 和o b r i e n 采用层析色谱法较系统地 研究了蜘蛛腺体丝蛋白及丝纤维蛋白质的分子量【l ”，大囊状腺内丝蛋白的数均分子量 m n 为7 2 0 ，0 0 0 ，小囊状腺内丝蛋白的m n 为2 7 0 ，0 0 0 。 3 蜘蛛丝分子构象的研究现状 蜘蛛丝二次结构的研究是理解其优异力学性能的基础之一。1 9 6 0 年 w m w i c k c r , j o 就用x 射线衍射的方法分析了蜘蛛丝的分子结构，随后l e w i s ，r v 用 傅立叶红外光谱证实了蜘蛛丝内含有反平行b 一折叠栅片结构。随后美国c o m e l l 大学 的l y n nw j c l i n s k i 以及英国牛津大学的f , v o l l r a t h 研究组也研究了蜘蛛丝主要分子链 段的构象特征，采用的技术方法有：”cn m r 、二维散射n m r 、激光拉曼光谱等。 结果表明，蜘蛛丝的结晶部分主要是聚丙氨酸链段，其分子构象为0 一折叠结构，同 时也存在甘氮酸含量较多的氨基酸片段，可能为3 旷螺旋结构或更复杂的结构。 导师所在的课题组利用圆二色光谱和拉曼光谱分析了大腹圆蛛主腺体内丝蛋白 及成丝不同阶段牵引丝的分子构象 1 2 1 ，结果表明：从腺体内丝蛋白到最终形成牵引 丝，成丝各阶段的蛛丝蛋白及纤维内都含有a 一螺旋、b 一折叠和无规卷曲三种构象的 4 再生蜘蛛丝的成丝方法投其结构与性能 瓤一章绪论 分子，出液态丝蛋白转化为固体丝纤维过程中，一部分无规卷曲构象的分子链转变成 了规整性较好的a 一螺旋结构；纤维出了吐丝口，经过在空气中的进一步拉伸，无规 卷曲和a 螺旋结构的分子链进一步减少，纤维内分子链的0 一折叠构象特别显著。此 过程巾结构的转变与蛋白液受到的剪切应力、缓慢流动时的流动仲长、管径的变化以 及腺体内的元素和离子交换等因素有关。 4 蜘蛛丝聚集态结构的研究现状 聚集态结构是决定纤维性能的关键因素之一，从2 0 世纪9 0 年代后期，随着蜘蛛 丝研究高潮的掀起，对蜘蛛丝的聚集态结构进行了大量的研究，采取了广角x 射线 衍射( w a x d ) 、小角x 散射( s a x s ) 、1 3 cn m r 、透射电镜( t e m ) 、原子力显微 镜( a f m ) 等技术，并开发了单纤维x 射线衍射等专门的测试手段。 l y n nw j e l i n s k i ( 1 3 】1 1 4 l ，j 、组研究了n e p h i l ac l a v i p e s 牵引丝的结晶结构和晶区的取 向。以及纤维拉伸过程中取向状态的变化研究，最终形成了蜘蛛丝内存在结晶区、非 结晶区和中间相的结构模式，认为：蜘蛛牵引丝的结晶度为1 2 ，结晶部分取向因子 f = o 9 8 1 ；有1 3 的区域也处于良好的取向状态，f = o 8 7 ，但不是结晶区，在外力 作用下，结晶区明显地发生再取向，非结晶部分虽然也有部分再取向，但由于受应变 范围的限制，取向不明显。 蜘蛛牵引丝具有三相结构状态的研究结果。使人们初步了解结晶度很低的蜘蛛丝 具有高强度的根本原因。分子链呈规整排列的结晶区只是影响纤维强度的因素之一， 强度反映的是纤维承担负荷的能力，因此沿外力作用方向上承载单元的数目以及这些 单元抵抗破坏的能力是纤维强度的决定性因素。蜘蛛丝结晶度虽低，但由于其内部分 子排列规整性和取向度都较好的中间相的比例较大，这部分分子链是承受轴向外力的 主要单元，同时大量的极性氨基酸增加了分子间的作用力，使各分子链能共同抵抗外 界负荷的作用。 5 蜘蛛丝力学性能的研究现状 经过近几十年的研究，国外的学者对蜘蛛丝优异的综合力学性能有了基本致的 认议：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 再生蜘蛛丝的j 垃丝方往及其结构j r 能排一帝绪论 于钢丝及高性能合成纤维。如表1 1 所示为蜘蛛牵引丝和其它纤维力学性能的比较。 蜘蛛大囊状腺分泌的蜘蛛丝强度为蚕丝丝索的2 倍以上，高于高强尼龙和工业涤纶； 虽然其断裂强度低于k e v l a r ，s p e c t r a 等高性能合成纤维，但伸长能力远大于前者，拉 断单位体积蛛丝所要做的功很高，闪此，大囊状腺分泌丝的综合力学性能4 i 仪比天然 蛋白质纤维蚕丝好得多，而且优于高强高模的高性能合成纤维。 表l - l 蜘蛛丝与其他纤维的力学性能1 5 纤维初始模量强度断裂伸长率 ( g p a ) ( g p a ) n c l a v i p e s 大囊状腺分泌的蛛丝 2 2 1 19 n c l a v i p e s 小囊状腺分泌的蛛丝 3 oo 3 53 0 蚕丝丝素9 o0 5 02 0 5 再生丝素 1 3o 5 59 n c l a v i p e s “生物丝” 4 6o 1 41 0 3 高强尼龙 50 91 8 工业涤纶 1 50 91 3 k e v l a r2 96 22 83 5 k e v l a r 4 9 1 2 4 2 8 2 5 s p e c t r a1 0 0 0 1 7 13 o2 7 高模董石墨纤维 3 9 32 60 6 但是，蜘蛛丝的力学性能具有多变性，对大腹圆蛛牵引丝的研究发现成丝方式和 成丝速度的改变会导致其力学性能发生变化【7 l 。随着卷取速度的增加，蜘蛛丝的断裂 强度在1 0 - - - 2 0 m m s 范围内有一最大值，高速卷取时，断裂强度的变化比较平稳：断 裂伸长率和断裂比功的变化有所波动，但整体呈下降趋势。垂直下落过程中蜘蛛分泌 的牵引丝相比于相似速度下人工卷取的牵引丝有更为优异的力学性能，其断裂强力、 断裂伸长率以及断裂比功要大得多，但断裂强度的差异不大。 生蜘蛛丝的 茈丝方法及艇结构j 性能瓤一帝绪论 6 蜘蛛丝生物相容性的研究现状 作为一种天然蛋白质纤维材料蜘蛛丝激起了生物材料和组织工程领域研究人员 的兴趣。事实上，蜘蛛丝在民间作为作为医疗用品已有很长的历史，主要用于伤口的 包扎，这种很缃的纤维具有良好的卜虎作用，有些丝还有杀菌作用。 s r e e k a n t h f l6 j 等将牵引丝植入老鼠体内发现：丝纤维对老鼠的纤维状巨细胞腺没 有毒性反应。丝纤维植入皮下及肌肉内后，只有很小的体外反应，纤维表面仍然是光 滑的，没有结构的畸形，说明有良好的阻止血栓形成的作用。将纤维浸入老鼠血浆中 9 0 天后，纤维强度没有显著的变化，表面也没有血栓形成。该纤维对病原体和细胞 有很大的阻抗作用，但没发现有抗生索作用。f 。v o l l r a t h t l 等的研究也表明，蜘蛛牵 引丝植入猪的皮下后，在植入区周围没有异样的反应，不同种类的蜘蛛间也没有什么 差异。经过1 3 天后，伤口痊愈，表面完全被上皮细胞覆盖，没有发炎。 作为一种高性能的蛋白质纤维材料，蜘蛛丝可以广泛地应用于纺织、军事、医疗 卫生等领域。因此。大规模地生产蜘蛛丝已十分必要。 二人工合成蜘蛛丝蛋白 蜘蛛由于不能象蚕一样大量饲养而获取丝纤维，因此如何实现蜘蛛丝的工业化生 产，使蜘蛛丝的优异性能得以在相关领域广泛应用，这成了科学工作者在掌握蜘蛛丝 的结构和性能的同时，十分感兴趣的研究课题。近十多来年，由于基因技术和基因化 学合成方法的建立与发展，诞生了利用活细胞的合成体系创造新蛋白质的所谓的蛋白 质工程，国外许多实验室据此进行人工合成蜘蛛牵引丝蛋白的尝试。 蜘蛛牵引丝基因很大，处理困难，一般是利用已知蜘蛛丝基因中d n a 的氨基酸 主要重复序列信息，人工合成其类似物的d n a 片段( 仿蜘蛛牵引丝基因) ，通过大 肠杆菌( e c o i l ) 或酵母( p i c h i ap a s t o r i s ) 或其他宿主表达蜘蛛丝蛋白。最先是利用 大肠杆菌和酵母来表达蜘蛛丝蛋白。最近几年正在研究利用山羊乳腺细胞、家蚕表达 系统以及植物马铃薯和烟草来生产蜘蛛丝蛋白。 美困陆军n a t i e k 研究发展工程中心，w y o m i n g 大学l e w i s 小组，u n i t i k a 公司， 杜邦公司f a h n e s t o c k 小组等都在大肠杆菌或酵母中表达了蜘蛛丝基因。p r i n c d ”1 等在 1 1 f 生蜘蛛丝的成丝方法及其结构0 性能第一章绪论 e c o l i 中表达了与络新妇蛛( n e p h i l ac 胁v 咖e ) 牵引丝蛋白s p i d r o i n l 、s p i d r o i n 2 同源的 重复序列聚合物。l e w i s i 。9 】，j 、组克隆了牵引丝蛋白s p i d r o i n 2 的重复区域，这些基因有 8 、1 6 或3 2 个相邻的重复序列并在e c o i l 中表达了具有1 6 个重复序列的基因。 u n i t i k a l ”】公司f u k u s h i m a 等设计、合成了串连的包含4 1 3 次重复的富g l y 序列的重 复多肽( g l g g g qg g g a gq g g y g ，暂叫s c a p ( 1 ) ) 的基因，分别在e c o i l 中表 达，产量随表达肽的分子量降低而增加。杜邦公司f a h n e s t o c k 2 l 】小组设计、合成了密 码为n e p h i l ac l a v p e 牵引丝蛋白s p i d r o i n l 和s p i d m i n 2 同源物的基因，在e c o l i 中表 达、产生长短不同的肽，有完整的基因产物，也有蛋白质合成提前结束的短肽，在酵 母p i c h i a p a s t o r i s 中表达、产生的人工丝蛋白长达3 0 0 0 多个氨基酸，在酵母中表达的 人工蜘蛛丝蛋白大小比较均一。已用细菌发酵的重组蜘蛛丝蛋白纺出了丝纤维，但由 于蜘蛛丝蛋白基因高度的重复结构以及不寻常的。r n a 的二级结构，导致不能有效 地转译而使蜘蛛丝蛋白在细菌中的表达不是很成功，最终得到的丝纤维比较脆。 加拿大魁北克的蒙特利尔n e x i a 技术研究组，采用转基因技术，成功地将蜘蛛牵 引丝基因转入到山羊的乳腺细胞中，由此生产含有蜘蛛丝蛋白的羊奶，再从羊奶中提 取蜘蛛丝蛋白。2 0 0 0 年1 月两只公山羊被成功接入了蜘蛛牵引丝基因，在每只山羊 7 0 0 0 0 个基因中接上一个蜘蛛丝基因，随后在极安全的环境中让两只公山羊同5 0 只 强壮的母山羊交配、生仔，在其后代长大后就能规模化生产含大量蜘蛛丝蛋白的乳液， 再把这种丝蛋白纺制成丝【2 2 1 。研究人员已将分子量为6 0 k d 的人工合成蜘蛛丝蛋白 a d f 3 纺成纤维，这种被命名为“b i o s t e e l ”的蛋白质纤维。具有与天然十字圆蛛牵 引丝相似的断裂比功，但断裂强度较小，断裂伸长大f 2 3 1 。这是目前为止最成功的利 用基因技术得到的人造蜘蛛丝。 l a v a r 大学p o t h i e r 小组还用显微注射方法将蜘蛛丝基因导入猪的早期胚胎，整合 入猪的基因组d n a ，成熟的猪表达产生的蜘蛛丝蛋白被分泌到精液中，再从精液中 分离蜘蛛丝蛋白【2 4 j ，用这种方法生产蜘蛛丝蛋白还有待进一步研究。 研究人员还将蜘蛛基因移植到马铃薯和烟草等植物中，以使这些植物在它们的组 织中制造大量的蜘蛛丝蛋白。德国g a t e r s l e b e n 研究所的u d oc o n r a d 制成了n e p h i l a c l a v i p e 丝蛋白基因的人造变体并把它们拼接入几种植物的基因组，他们发现，有些 植物的蛋白质总量中有2 以上由蜘蛛丝蛋白构成，研究人员估计，在转基因植物中 f 生蜘蛛丝的成丝方法及j 结构j 忡能粥一带绪论 制造蜘蛛丝的成本仅及细菌遗传工程的十分之一到二分之一，与细菌不同，植物能从 初始原材料制造自身氨基酸，而且转入植物中的蜘蛛丝蛋白基因不易发生重组丢失 1 3 9 1 。但是目前用从这种植物中提取的蜘蛛丝蛋白纺丝并不成功。 我国利用基因技术合成蜘蛛丝蛋白的研究也已起步，并在利用大肠杆菌合成乖引 丝蛋白方面取得了初步的研究结果。解放军军需大学和福建师范大学的研究人员正在 分别进行防弹生物钢性蛋白和基因重组蛛丝蛋白的研究利用p c r 技术对n e p h i l a c l a v a t e 主腺体牵引丝蛋白c d n a 序列进行扩增并对克隆片段进行序列分析，获得了 n e p h i l ac l a v a t e 牵引丝蛋白s p i d r o i n 2 的c d n a 片段【2 5 】。中科院遗传所牛恒尧等在大 肠杆茵中表达了来源于十字园蛛a d f 3 基因与g s t 融合蛋白1 2 6 1 。解放军军需大学柳 增善等通过r t - - p c r 克隆大腹园蛛鞭毛状腺体丝蛋白基因，利用反转录一置换法构 建成了大腹园蛛大囊状腺体蛋白d n a 文库并从中筛选到a v f l 和a v f 2 两个丝蛋白基 因【2 7 1 。南京师范大学也已经在人工合成蜘蛛丝蛋白方面取得了初步的成果，获得了 蛛丝蛋白。 三人造蜘蛛丝的纺制 利用基因工程已经能成功地得到蜘蛛丝蛋白，要实现蜘蛛丝的工业化生产的障碍 就是如何将这些蛋白质溶液纺成性能优异的丝纤维。 对蛋白质纤维的纺丝方法，研究最多的是再生蚕丝丝素的湿纺法。蚕丝是一种被 广为研究的生物材料，在2 0 0 0 多年的研究中已经得到很多重要的信息，因此可以把 它作为一种模型来研究以蛋白质为基础的生物聚合物的纺丝方法。实验发现六氟异丙 醇( h f i p ) 是一种很好的蛋白质溶剂，把脱胶后的丝素经溶解、透析、成膜后再溶 于六氟异丙醇中可得到具有良好纺丝能力的纺丝原液，此溶液中丝蛋白的浓度对最终 是否能成丝有重要影响，面纺丝过程中液体流动时的流体动力对所形成的丝纤维的构 象有重要影响。甲醇、乙醇、丙酮都可作为湿法纺再生丝素纤维的凝固剂，但凝固浴 的不同成分和浓度对丝纤维的性能有一定的影响。再生丝纤维的分子构象以p 一折叠 为主，结晶度大于5 0 ，但分子链取向度很小。纺丝后拉伸使多肽主链和b 一折叠的 晶区沿纤维轴取向，经2 5 倍拉伸的再生丝素具有和天然桑蚕丝素相似的结晶结构和 再生蜘蛛丝的成丝方法及其结构，性能 第一辛绪论 分子结构2 引。 1 纺丝液配制 1 1 再生蜘蛛丝蛋白溶液 由于牵引丝是七种蜘蛛丝中综合性能最优的丝纤维，因此，一般以牵引丝为研究 对象。最早研究再生蜘蛛丝的纺丝方法的是a n d r e a n ss e i d e l ，o s k a r l i i v a k 2 9 等，他 们把n e p h i l ac l a v i p e 的牵引丝溶解在六氟异丙醇( h f i p ) 溶液中，得到丝蛋白浓度为1 ( w w ) 的溶液，放置一昼夜然后过滤去除未溶部分，再在室温下放置2 4 小时，随 后抽真空在6 0 下加热1 6 小时使大部分的h f i p 挥发，得到蜘蛛丝蛋白膜，最后再 将蜘蛛丝蛋白膜溶于h f i p 中，配成一定浓度的纺丝液。 1 2 由基因工程产生的蜘蛛丝蛋白溶液 美国陆军n a t i c k l 3 。1 研究发展工程中心首先发表了用细菌发酵的方法得到的蜘蛛 丝蛋白进行纺丝的文章。两种重组的丝蛋白n o d s 和 ( s pi ) 4 ( s p i i ) l 】4 被纺成 了丝纤维。n o d s 是用n c d sc d n a 克隆体译码而成的蜘蛛大囊状腺体蛋白，分子量 为4 2 9 k d a ：【( s p1 ) 4 ( s p i ) 1 】4 是一种分子量为5 5 k d a 的混合蛋白，其氨基酸序 列与n e p h i l a 的s p i d r o i ni 和i i 的序列一致。这种丝蛋白溶液的配制要经过细胞溶解、 亲和色谱以及离子交换色谱的提纯。用密度计量法测纺丝液的纯度，发现纯度一般高 于7 0 ，最高可达9 2 ，而实验发现纯度低于4 2 的丝蛋白溶液无法纺丝。配制这 种蛋白溶液所使用的缓冲液的成分对溶液构象也有很大的影响，同时，温度变化，构 象也会发生改变。这种从细菌或酵母发酵得到的蜘蛛丝蛋白溶液纺出的丝纤维性能并 不是太理想，因此s t e v e na r c i d i a c o n o 和n e x i a 生物技术公司的a n t h o u l al a z a r i s 又用 哺乳动物细胞中得到的蜘蛛丝蛋白溶液进行了纺丝实验。 2 纺丝方法以及纺丝工艺对丝纤维性能的影响 2 1 再生丝蛋白溶液的纺丝【2 9 】 3 1 】 3 2 1 由于蜘蛛丝蛋白溶液来源有限，因此a n d r e a n ss e i d e l ，o s k a rl i i v a k 等专门制造 了适于实验室进行小型纺丝实验的装置。这种装置通常包含有硅晶片组成的l 费丝头， 0 f f 生蜘蛛丝的戚丝方法发