理论教育 人工蛛丝纤维:友好、高性能的生物材料

人工蛛丝纤维:友好、高性能的生物材料

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于蜘蛛丝是由蛋白质构成的,并且生物可降解,因而对环境是友好的。将蜘蛛丝蛋白基因转移到山羊乳腺细胞中,然后将蛋白质单体从牛奶或羊奶中分离出来并经纺丝和拉伸得到人工蛛丝纤维。由于人工蜘蛛丝是天然产品,又由蛋白质组成,和人体有良好的相容性,因而可用作高性能的生物材料,如人工筋腱、人工韧带、人工器官、组织修复、伤口处理、用于眼外科和神经外科手术的特细和超特细生物可降解外科手术缝合线。

人工蛛丝纤维:友好、高性能的生物材料

蜘蛛丝具有蚕丝和一般合成纤维无法比拟的突出优势。首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大,甚至超过对位芳纶和UHMWPE纤维;其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强;再有就是无论在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能,在零下40℃时仍有弹性,只有在更低的温度下才变硬。由于蜘蛛丝是由蛋白质构成的,并且生物可降解,因而对环境是友好的。我们都知道,把这些优良的性能集中在同一种纤维上是十分困难的,而蜘蛛丝却做到了。由于有了这些性能才能保证蜘蛛网在各种气候条件下都能正常工作,保证了蜘蛛的生存和传宗接代。目前美国、加拿大、德国、俄罗斯和日本等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究,吸引了众多的科学家参与此项工作,已取得一定的进展,可以说对蜘蛛丝的研究,已成为当今世界纤维界的热门课题。

1.利用基因技术来开发人工蜘蛛丝

目前,科学家们已经进行了大量的工作:用生物化学方法对蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行研究,分离了蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列,建立了cDNA和gDNA的数据库,进行了基因序列的分离纯化、结构特征表达和克隆等;利用DNA合成技术已成功地在DNA水平上建立了不同蜘蛛丝蛋白(spidroin)片段的基因序列模型,用这种模型可制造出一种被称为蜘蛛丝蛋白的合成基因,这种基因可以生产的96.1%基因序列与天然蜘蛛丝蛋白相同,下一步的工作是如何大规模生产这种蜘蛛丝蛋白。现在有四种途径:

(1)利用微生物来生产。将蜘蛛丝的产丝基因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,通过细菌发酵的方法得到蛛丝蛋白,再进一步纺丝可以得到人工蛛丝纤维。

(2)利用动物如牛或羊来生产。将蜘蛛丝蛋白基因转移到山羊乳腺细胞中,然后将蛋白质单体从牛奶或羊奶中分离出来并经纺丝和拉伸得到人工蛛丝纤维。

(3)利用植物生产。将蜘蛛丝基因植入植物,培育出能够产生丝蛋白的转基因植物

(4)使其他蛋白质通过植入蜘蛛丝的基因而得到改性,从而生产出仿蜘蛛丝的新纤维。这种方法多数用于蚕,因为蚕与蜘蛛有相似之处同为生物纺丝体。许多科学家试图将蜘蛛的基因转移到蚕的体内,使蜘蛛丝高强力、高弹性的基因体现在蚕丝中,利用基因技术使蚕“吐”出“蜘蛛丝”。(www.daowen.com)

2.用途展望

军事方面用人工蜘蛛丝做的防弹背心比用芳纶做的性能还好。也可用于制造坦克、飞机的装甲以及军事建筑物的“防弹衣”等。在航空航天方面,可用于结构材料、复合材料和宇航服装等。

在建筑方面用于制造桥梁高层建筑民用建筑等的结构材料和复合材料。

农业和食品方面可用做捕捞网具,代替造成白色污染的包装塑料等。

在医学和保健方面有广泛用途。由于人工蜘蛛丝是天然产品,又由蛋白质组成,和人体有良好的相容性,因而可用作高性能的生物材料,如人工筋腱、人工韧带、人工器官、组织修复、伤口处理、用于眼外科和神经外科手术的特细和超特细生物可降解外科手术缝合线。

总之,目前这种纤维的呼声很高,特别是如果能用转基因的方法从羊奶、牛奶中大量获得蜘蛛丝蛋白,则这种转基因仿蜘蛛丝在价格上完全可以和对位芳纶竞争,据说生产这种仿蜘蛛丝的费用可降低到50美元/kg以下,而目前蚕丝的平均生产费用26~33美元/kg。

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