大自然的魔法转换——布满生活的人工蜘蛛丝

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大自然孕育了各种生物,也赋予了它们许多神奇功能。人类科学文明的进步也离不开大自然的启发。通过对生物结构和功能原理的研究,我们生活中科技设备和机械工具等得到了不断的革新和进步,这也就是仿生学科技。例如:某运动品牌研发的可有效减小水的阻力的鲨鱼皮泳衣,这正是借鉴了鲨鱼皮表面丰富的褶皱(也称为肤齿),可大大减小水流的阻力帮助鲨鱼更有效的快速移动;某跨国公司推出可实现废纸发电的新型生物电池,通过木纤维质酵素在将纸张中的纤维素分解为葡萄糖的同时所释放的能量转化为电能,这一发明的最初原理也是仿造人体新城代谢时分解葡萄糖并产生能量。这样仿生学科技的例子不胜枚举,但是你否想过,人们还从生活中大多数人十分厌恶的蜘蛛丝得到了科技发明启发。

图1 鲨鱼皮泳衣(左)和生物电池(右)(图片来自网络)

图2 蜘蛛丝(左)和人造蜘蛛丝(右)(图片来自网络)

蜘蛛肚子里有许多丝浆,它的尾端有很小的孔眼。在结网的时候,丝浆从孔眼里喷出,当遇到空气就会形成有粘性的丝,用它所结成的网无论什么飞虫,一旦撞上都别想跑掉。那么,外观又细又柔软的蜘蛛丝为什么会具有这么好的弹性与强度呢?其原因主要在于:蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸、丙氨酸及小部分的丝氨酸,以及其他氨基酸单体蛋白质分子链。一方面,蜘蛛丝具有不规则的蛋白质分子链,这使得蜘蛛丝具有弹性。另一方面,蜘蛛丝中还具有规则的蛋白质分子链,这又使得蜘蛛丝具有强度(强度大于钢)。

天然的蜘蛛丝是一种十分坚韧且具有弹性的纤维,因而成为了一种优异的纺织材料(图3)。但由于蜘蛛独特的生活习性和产丝量低的原因,实现天然蜘蛛丝量产十分困难。但随着基因技术的发展,人们利用这样独特的分子链结构,人类研制出了人造蜘蛛丝。那么,它们两者之间有什么区别呢?

图3 天然蜘蛛丝制作的斗篷(图片来自网络)

图4 蜘蛛丝和人造蜘蛛丝并不完全相同

人造蜘蛛丝是一种高韧性的人造材料,目前的人造蜘蛛丝都是通过将蜘蛛的基因进行改造之后,放在不同的生命体中表达蛛丝蛋白(例如大肠杆菌、蚕、羊等),再进一步提纯。成分虽然略有区别,且强度与天然的蛛丝比起来也有不小的差距,但是这些并不重要。人工蜘蛛丝的优点在于可以以液态的形式储存蛛丝蛋白。

液态的蛛丝蛋白,给人造蜘蛛丝未来的形态和应用创造了多种可能。例如在功能研究中比如生物支架,材料有柔性且可降解。例如,一种通过重组蛛丝蛋白制备出的小口径人造血管支架(图5),具有很好的力学性能及生物相容性且厚度均匀。因此,人造蜘蛛丝并不是仅仅局限于又弹又粘的蛛丝,它具备广泛的应用领域和光明的应用前景。