生物工程在纺织业中的应用蜘蛛丝纤维的研究

曲丽君 孔燕 赵月华 鲍萍 青岛大学 266071；

原载：纺织科学研究/2003/3/第14卷第1期；34-37

[收稿日期]2003-01-28;[修订日期]2003-02-24

[摘要]综述了蜘蛛丝纤维的研究现状、纤维性能及应用前景等。

[关键词]蜘蛛丝纤维;生物工程;纤维性能;应用前景

[中图分类号]TS102.3⁺3[文献标识码] A [文章编号]1003-1308[2003]01-0034-04

1 引言

迸人21世纪，健康、安全、绿色环保已成为人们关注的焦点之一。在石油、森林等资源备受保护的今天，利用生物技术开发生物纤维将是21世纪的重要发展趋势之一。以生物工程和转基因方法开发性能优良的蜘蛛丝，已成为生物专家、纺织专家积极进行研究的课题，并且获得了可喜的成绩。正如文献[1]中所述，一个有趣而值得注意的现象是，纺织行业已经开始引起其它学科专家的关注和兴趣，而这种学科间的结合一旦成功，就会产生令人激动的成果。如从山羊奶中成功提取、纺制蜘蛛丝纤维，就是生物工程与纺织学科间成功结合的结晶。

蜘蛛丝纤维是具有优良强度、模量、伸长度、断裂能以及质量轻盈、耐紫外线等性能的蛋白质纤维，具有生物相容性、生物可降解性和可回收性。蜘蛛丝有很多的工业用途，它有比较高的断裂强力、较好的柔韧性、质轻和较好的相容性。但是，蜘蛛不能像养蚕那样能够进行商业养殖，其地域性和进攻性使其不能进行广泛的养殖；并且蜘蛛吐出的丝并不是象蚕那样形成茧丝，而是蜘蛛"网"丝，也就是所谓的"拖丝"或"网络丝"。尽管如此，蜘蛛丝还是吸引了许多研究人员，如杜邦公司、德国的分子生物技术研究所(IMB)和图林根纺织和塑料研究所(TITK)、加拿大魁北克的蒙特利尔Nexia技术研究所等，它们都相继研发了蜘蛛丝纤维。而加拿大魁北克的蒙特利尔Nexia技术研究所通过转基因工程，成功地把蜘蛛基因植入一种特种山羊的乳腺细胞内，然后从山羊乳汁中成功地提取蛋白，将其纺成高强度的蜘蛛丝。该成果的取得具有非常重大的意义，这标志着在对一种比钢丝的强力还要高10倍的纤维的研究迈出了突破性的一步。

2 蜘蛛丝的研究与开发

近一二十年来，蜘蛛丝纤维的研究与开发吸引了世界上许多科学家。蜘蛛丝的研究历史、其微观形态和化学结构在文献[2-10]中已有系统的综述，本文不再赘述。目前对加工蜘蛛丝的报道有很多，可主要归纳为以下两种方法；①基因合成发酵法;②转基因法。

2·1 基因合成发酵法

该种方法是用现代生物技术生产蜘蛛丝蛋白，即将这种蛋白的产丝基因转移到细菌中，用细菌大量繁殖生产这种蜘蛛丝蛋白。

生物工程材料研究领域的知名专家Tirrel指出，可利用重组DNA技术制造合成蜘蛛丝[9]，并和其它材料的科学家一起，利用该技术克隆了一种特异的蜘蛛丝造丝基因。分离出这些造丝基因后，再将造丝基因转移到细菌E.Coli的DNA中，然后诱导E.Coli复制蜘蛛丝，从而可在没有蜘蛛存在的发酵容器中生产蛛丝蛋白，之后再将这种蛋白质进行水溶性处理，然后纺丝制成纤维，以得到比尼龙更强的蜘蛛丝纤维。

在PA技术公司(Royston，Herts)，工程师们发现了一种在实验室里合成蜘蛛丝的方法[2]，分离出了与合成蜘蛛丝蛋白相关的基因顺序，并将这些基因顺序转移给细菌，然后生产出蜘蛛丝。

加拿大的杜邦公司、美国陆军Natic研究所的科学家们，利用DNA合成技术，已经生产出蜘蛛丝的合成物[2、9]，并将成为新一代生物合成材料。

德国的分子生物技术研究所(IMB)和图林根纺织与塑料研究所(TITK)联合研究了蜘蛛丝项目[4-6]。他们进行的第一阶段研究包括；①蜘蛛丝蛋白的克隆和重组的表达方式(由IMB负责)；②蜘蛛丝蛋白加工成纤维的基础研究(由TITK负责)。其研究己经取得了一些值得注意的现象与结论；①蜘蛛丝的细度、伸长和强度是可复制的，且已测定了蜘蛛丝的应力-应变性能，成功地表征了蜘蛛丝的粘弹性能;②综合已有的、丝蛋白的溶解和凝固性能，选择了适合蜘蛛丝蛋白纺丝的溶剂体系;③通过溶液的纺丝技术，在特殊的物理化学和技术条件下，用天然丝做模型蛋白质，成功地进行了蜘蛛丝的纺丝实验。

2.2转基因法

加拿大魁北克的蒙特利尔Nexia技术研究所，采用转基因技术，成功地将蛛基因植入一种特种山羊的乳腺细胞内，使蜘蛛丝蛋白再进行重组[2、3、11]。Nexia转基因技术的出发点为；从解剖学上分析，蜘蛛丝的腺体和动物的乳腺有相似之处。

在试管内，当完全可溶性蜘蛛丝蛋白在乳腺细胞产生后，Nexia将转基因的繁殖和泌乳过程安排在有大量乳腺细胞的、奶山羊的母体中进行，扩大了蜘蛛丝蛋白的实验生产。

该公司称，转基因法将使"生物钢"纤维或称"防弹纤维"(Biosteel)的生产成本仅相当于或低于有竞争力的、以石油化工为基础的、芳族聚酰胺纤维的生产成本；而且，"生物钢"纤维(Biosteel)的强力是芳族聚酞胺纤维的3.5倍多，因而达到只利用较少的原料、就能实现同样机械性能的要求。

2000年1月，经过蜘蛛基因成功移植，两只"生物钢"纤维(BiosteeI)雄山羊出生了。这具有非常重大的意义，标志着一种比钢丝强力高10倍的纤维的研究迈出了成功的一步。如果成年后的雄山羊与母山羊繁殖出奶羊后，产出的羊奶中就会产出丝蛋白，然后人们就可以将这些丝蛋白提取出来加工成"生物钢"纤维(Biosteel)。预计在不久的将来，对这种高强度材料可以实现大规模生产。

这种从转基因动物的乳汁中获得的重组蛋白是水溶性的，便于在随后的纺丝过程中对丝蛋白进行提纯。这与杜邦公司以及其它公司所采用的细菌发酵法相比，具有明显的优势。因为后者生产的丝体中含有非水溶性物质，在使用前还难以重新溶解和卷绕。

虽然以生物工程为基础的蜘蛛丝纤维的研究仍处于实验过程中，但实现工业化生产只不过是一个时间上的问题。

3 蜘蛛丝的特点

蜘蛛丝呈金黄色、透明状，在显微镜下看，与蚕丝很相似，但又与蚕丝的三角形截面不同，其横截面呈圆形。蜘蛛丝没有像蚕丝那样有覆盖于其表面的水溶性丝胶，因为它是单丝，所以不需要丝胶来粘住丝。蜘蛛丝的平均直径为6.9μm，大约是蚕丝的一半;其物理密度为1.34，与蚕丝羊毛相似[2-3]。

蜘蛛丝作为新的天然高分子纤维和生物材料，具有特殊的材料机械(力学)性能，强度高弹性好，初始模量大，断裂功大，并且防水和可伸展性良好[7、8、12]。具体归纳如下；

(1)物理-机械性能优异，根据文献[12]提供的数据如表1所示。

表1 蜘蛛丝与其它纤维机械性能的比较

材料	伸长度(%)	初始模量(N/m^2)	强度(N/m^2)	断裂功(J/kg)
络新妇蜘蛛牵引丝	9.8-32.1	(1-30)×10^9	(3-18)×10^3	(3-10)×10^4
家蚕丝	15.0-35.0	5×10^9	6×10^3	7×10^4
尼龙丝	18.0-26·0	3×10^9	5×10^3	8×10^4
棉纤维	5.6×7.1	(6-11)×10^9	(3-7)×10^3	(5-l5)×lO^3
钢丝	8.0	2×10^11	2×10^9	2×10^3
Kevlar	4.0	1×1O^11	4×1O^9	3×10^4

由表1数据可以看出，蜘蛛丝的伸长度与蚕丝相当，弹性好；其初始模量优于其它纤维，强度虽然不如Kevlar，但其韧性好，断裂功大，而且质地最轻。因此，蜘蛛丝的综合性能较好。Kevlar等材料随负荷量的增加，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、初始模量增加的同时，其弹性也随之增加，因此韧性好而断裂功大，蜘蛛丝的刚性、强度和弹性综合性好。

(2)可生物降解性。蜘蛛丝成分的精确分析结果目前还很难得到，但蜘蛛丝的成分与蚕丝相似，几乎完全由蛋白质组成，因此可以生物降解。

(3)生物相容性、安全性好。由于蜘蛛丝几乎完全由蛋白质组成，因此有生物相容性，服用舒适、植入体内安全无毒副作用。

(4)耐紫外线。蜘蛛丝具有很好的耐紫外线性。

4 蜘蛛丝的用途

蜘蛛丝具有高强、高模和韧性好的特点，其超级伸长能力使它断裂时需要吸收更多的能量，对外界的冲击力、破碎力有很大的消力和阻碍作用，适合作防弹衣、头盔，以及火箭与汽车的气囊等。另外，蜘蛛丝的强度高、弹性好、初始模量大、断裂功大等，也适合作降落伞绸、缆绳等。

除了在航空、航天和弹道保护工业上的应用之外，蜘蛛丝纤维良好的可生物降解性、生物相容性也使其具有较高的医疗用途，如适合作高强力的手术线、人造肌健和韧带、假肢、对组织的修复，神经外科及眼科手术中的可降解超细伤口缝合线等。

由于蜘蛛丝是一种高性能的绿色生物材料，一旦生产成本降低，就可望用于建筑、农业、医疗卫生、航天航空、军事、民用服装等方面。

表2 蜘蛛丝纤维的应用示例

领域	举例
民用纺织品	服装(内衣、外衣、运动服、衬衫)等
建筑材料	增强材科、绳索、网、垫子、沙袋
医疗卫生	手术缝合线，人造肌陡和韧带、假肢、组织的修复，神经外科及眼科手术中的可降解、超细伤口缝合线等
航天航空、汽车工业	汽车的车身，火箭、汽车等的气囊等
军 事	防弹衣、头盔等

5 结语

蜘蛛丝的研究目前还处于初级阶段，距离规模化生产还有一段时间，对其纺丝装置的成功研制也是能否规模化生产的关键；另外，如何将它制成织物也是一个难题。虽然蜘蛛丝的氨基酸组成和基本力学性能已有了较系统的研究，但蜘蛛丝的特殊力学性能的形成机理和丝的微细结构等还有待于作深人研究。

蜘蛛纤维是一种高性能、可生物降解、生物相容性好的绿色生物材料，其特殊的高强度、高弹性、超收缩性能在医疗卫生、航天航空、军事等领域都有广阔的应用前景。蜘蛛丝的研究必将成为21世纪纺织与生物技术领域研究的热点之一。

[参考文献]

[1]Textiles challenge.Science High performance Textiles[J]2000(7);12

[2]喻方莉，张建春；蜘蛛丝纺织品的研究与开发[J]，国外纺织技术，2000，188(11)；5-7

[3]Cariou D.Quebec company first in world to produce spider silk[J],La Revue Canadienne du Textile，l999，(3);12

[4]时淑芝,蜘蛛丝蛋白的生物技术生产及其纤维的成形[J],国外纺织技术，2000(9);7-10

[5]K.Heinemann.K,H.Guhrs,K.Weishart,Biotechnological production of spider silk proteins and their processing to fibers[J],Chemical Fibers Institute， 2000，50 (2);44-48

[6]郑震;蜘蛛丝蛋白的生物制造技术及纤维加工[J],国外纺织技术，2000(12);2-4

[7]潘志娟，盛家镛，戴宏钦；蜘蛛丝的结构与力学性能[J]·南通工学院学报，I999(6)

[8]毛良，李盛贤，张欣；蜘蛛丝蛋白的结构及其应用[J]·生物技术，1999(5)38-41

[9]David A.Tirrell putting a new spin on spider silk[J]Science，1996，271;39-41

[10]董君霆；蜘蛛丝研究的动向[J]·丝绸，1999，(9)；47-49

[11]Spider silk from goat’s milk[J]，High Peromance Textiles，2000(7);2

[12]Ryder M L.Can spider silk be used in TextiIes?[J]·Textiles Magazine，l999(2);20-22