人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的研究进展

王松立， 王美林， 周 湘， 刘遵峰

(1. 中国药科大学 理学院， 江苏 南京 211100； 2. 南开大学 化学学院， 天津 300110；3. 辽宁科技大学 化学工程学院， 辽宁 鞍山 114051)

蛛蛛丝是蜘蛛通过腺体分泌的一种蛋白质生物材料，是自然界中最令人着迷的材料之一[1]。早在几千年前，人们就已经在实际生活中利用蜘蛛丝：古希腊，人们用蜘蛛丝来止血和促进伤口愈合[2]；第二次世界大战时，蜘蛛丝被用作望远镜、枪等瞄准系统的十字准星[3]。伴随着科技的进步，人们对蜘蛛丝的认识逐渐加深，其应用领域也变得越来越广泛[4-5]。

与其他天然材料相比，蜘蛛丝具有优异的力学性能和良好的生物相容性，所以备受研究者青睐。其力学强度可与钢相比，而韧性优于芳纶[6]。这种优异的力学性能使蜘蛛丝成为一种非常有前途的生物结构材料，可用于制备降落伞和防弹衣等。此外，蛋白质的本质特性使得蜘蛛丝具有良好的生物相容性，在生物医学工程、组织工程等方面具有很好的应用前景[7-8]。

尽管蜘蛛丝具有如此优异的特性，但由于蜘蛛互相残杀的特性和本身丝产量较低的特点，蜘蛛丝无法像蚕丝一样实现商业化生产[9]，因此，发展人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维成为解决途径之一。本文主要论述了蜘蛛丝的结构，基于重组蜘蛛蛋白、多肽材料的人造蜘蛛丝，以及基于高分子材料和碳纳米管材料的仿蜘蛛丝纤维的研究进展，为设计高强、高韧性的人造蜘蛛丝和仿蜘蛛丝纤维提供参考。

1 蜘蛛丝的分类

蜘蛛有各种各样的腺体，可产生具有不同结构和功能的丝。其中大壶腹腺分泌的拖丝(又称牵引丝)是一种具备高强度和延展性的蜘蛛丝，被用作蜘蛛网的框架、辐射状丝和逃生绳索，是捕捉网的主要成分[10]，其是7种蛛丝中强度最高的丝，强度远高于锦纶和钢，故有“生物钢”的美誉，也是目前研究最为深入的蜘蛛丝之一。小壶腹腺丝用于构建蜘蛛网的中心螺旋结构使蜘蛛网稳定[11]。鞭毛状腺丝具有很好的延展性，聚状腺丝附着于鞭毛状腺丝表面增加其黏性。葡萄状腺丝具有高强度和高弹性，是韧性最大的蜘蛛丝。蜘蛛丝的分类如图1[12]所示。

图1 蜘蛛丝的分类Fig.1 Classification of spider silk

2 蜘蛛丝的结构

蜘蛛丝优异的力学性能与其蛋白结构密切相关。蜘蛛丝的本质是蛋白质，氨基酸的种类和数量会影响蛛丝蛋白的大小和结构序列，进而影响蜘蛛丝的力学性能，同时氨基酸残基会形成β-折叠纳米晶体、无定形α-螺旋等二级结构，进一步增强蜘蛛丝的力学性能。

2.1 一级结构

蜘蛛丝是蜘蛛在温和条件下，通过一系列高度复杂的过程生产出来的蛋白质纤维[12]。蜘蛛丝主要由1条或者多条蛋白质组成，被称为蛛丝蛋白，其分子质量往往很大[13]。蜘蛛丝类型不同，蛛丝蛋白的组成也有所不同，但所有的蛛丝蛋白都可分为3个部分：蛋白中心的重复序列区(Rep)、N端结构域(NT)和C端结构域(CT)。末端结构域具有折叠的球状结构，由约100～140个氨基酸组成，是一个高度保守序列，而中心重复序列在不同类型的蜘蛛丝中具有不同的氨基酸序列[14-17]。Craig等[18]采用系统发育分析法研究了甘氨酸和脯氨酸对牵引丝力学性能的影响发现，甘氨酸对牵引丝的力学性能影响最大，其含量与弹性模量和拉伸强度呈正相关，而脯氨酸含量则与弹性模量呈负相关，但与拉伸长度呈正相关。除氨基酸序列之外，蛋白质的分子质量和长度与力学性能相关。Malay等[19]设计了缺失NT或CT，但含有不同数目Rep的MaSp2蛋白质，然后进行液液相分离和自组装形成纳米纤维网络，结果表明不同的结构域在蜘蛛丝形成过程中起着互补作用，表明在仿造蜘蛛丝的制备过程中，需要设计一套完整的蛋白构造。最近，Kono等[20]采用多组学方法定量鉴定了4种大木林蛛属蜘蛛的牵引丝蛋白成分和基因组，发现了几种除蛛丝蛋白之外的低分子质量蛋白质，然后他们对该蛋白质在牵引丝力学性能中的作用进行研究发现，这些低分子质量蛋白质成分可以使人造蜘蛛丝材料的拉伸强度增加1倍。 这表明蜘蛛牵引丝的多组分性质，对于实现其力学性能至关重要，对今后人造蜘蛛丝的设计也具有重要启发。

2.2 二级结构

蜘蛛丝优异的力学性能不仅与蛛丝蛋白一级结构有关，更与蛋白质二级结构密切相关。蛋白质中的氨基酸残基可通过高密度的氢键作用形成β-折叠二级结构，β-折叠层层堆叠形成β-晶体。β-晶体的形成是一个成核过程，而β-折叠为晶体的形成提供模板。在这样的成核机制下，β-晶体增长并交联，形成蜘蛛丝纳米纤维束中的渔网结构。纳米渔网结构会在保持蜘蛛丝纤维弹性的基础上，分散外部应力对整个结构网络的作用，从而增强丝纤维的力学性能。图2示出β-晶体和纳米渔网的结构及形成过程[21]。纳米渔网结构模型详细介绍了蜘蛛丝蛋白质核对力学性能的影响，为高性能纤维的设计和合成提供了更为全面的策略，但对蜘蛛丝外壳的作用却鲜有介绍，核壳结构则弥补了这一缺陷。在以往的研究中，原子力显微图像和电子显微图像已经揭示了蜘蛛拖丝的核壳结构[22]。随后人们通过生物化学技术分离了拖丝的结构发现，整个蜘蛛丝纤维由外到内由5层组成：脂层、糖蛋白层、表皮层、外核和内核[23]。在此基础上，Yazawa等[24]进一步分离了拖丝的外层结构，研究了各层结构对力学性能的影响发现，表皮层的主要功能是防止内部蛋白质被酶分解，保证纤维的完整性，而对其力学性能没有明显影响，蜘蛛拖丝的内核才是决定其力学性能的关键。

注：图中Lc、Lb和La分别表示晶体的长、宽和高。图2 蜘蛛丝纳米渔网结构及β-晶体的形成过程Fig.2 Structure diagram of nano fishing net structure of spider silk and formation of β-crystal

3 人造蜘蛛丝合成方法

近年来，随着科学技术的发展和对蜘蛛丝形成原理的深入研究，人造蜘蛛丝的制备方法有了很大突破。目前，制备人造蜘蛛丝的材料主要有重组蜘蛛蛋白和多肽材料等。

3.1 基于重组蛛丝蛋白的人造蜘蛛丝

重组蛛丝蛋白是通过基因工程和蛋白质工程将特定蛋白质的天然或人工基因掺入质粒脱氧核糖核酸(DNA)中，将该质粒基因引入宿主进行表达(最常见的是大肠杆菌)产生所需的重组蛋白，该重组蛋白最终从宿主中提取并纯化，得到所需要的蛋白[25]。以往的研究表明，蜘蛛体内腺体pH值的梯度变化是引起蛛丝蛋白末端结构域构象变化的原因。Andersson等[26]通过基因工程和生物发酵获得了含有CT、NT和Rep的重组蛛丝蛋白，并制造了一种吐丝器来模拟天然蜘蛛丝制造过程中pH值的改变，其从1 L细菌摇瓶培养物中提取的蛛丝蛋白即可制得长达1 000 m的人造蜘蛛丝，为人造蜘蛛丝的工业化生产提供了可能。

Zhu等[27]以低分子质量重组蛛丝蛋白为原料，采用湿法纺丝工艺纺丝并利用二氧化钛和甲醛交联，对合成蜘蛛丝纤维进行增韧处理得到了人造蛛丝纤维，韧性可达到(249±22) MJ/m3，为低分子质量蛛丝蛋白合成具有优异力学性能的人造蜘蛛丝提供了方向。Peng等[28]模仿蜘蛛纺丝过程，采用水溶性的重组蜘蛛牵引丝蛋白为原料，通过微流体湿法纺丝并拉伸得到人造蜘蛛丝，纺丝后的拉伸改善了纤维晶体结构和取向等分层结构，使纤维的拉伸强度和伸长率分别达到510 MPa和15%。

尽管采用重组蛛丝蛋白制备人造蜘蛛丝已经取得很大进步，但仍面临蛛丝蛋白产量低的困扰，且在纺丝过程中需要使用六氟异丙醇或甲醇等有机溶剂，污染环境，而水溶液纺丝则可以避免这个问题。最近，Schmuck等[29]采用研制的一种水溶性蛛丝蛋白，用新的生产方法在1 L大肠杆菌培养液中得到14.5 g纯蛛丝蛋白，且仅用水溶液实现了纺丝，丝的韧性可达74 MJ/m3，为具有高韧性人造蜘蛛丝的大规模生产打下更好的基础。

3.2 基于多肽材料的人造蜘蛛丝

相较于生物法，化学法合成步骤简单，成本较低，为人造蜘蛛丝的工业生产带来了希望。Tsuchiya等[30]采用二步化学方法合成了与蛛丝蛋白独特序列结构相似的新型多段多肽，他们先采用化学酶法聚合制备了2种类型的多肽片段：聚丙氨酸作为硬段，聚(甘氨酸-随机氨基酸-亮氨酸)作为软段，以聚磷酸为缩合剂缩聚连接这2个片段。经广角X射线衍射和红外测试表明，所得多嵌段多肽形成了与蜘蛛丝相似的反平行β-片状结晶区和非晶区，其结晶度类似于蜘蛛丝，并可制成纤维。虽然这项工作为化学合成蜘蛛丝内部结构奠定了基础，但合成的多肽链分子质量相对较小，其合成纤维的力学性能与人们的预期相差甚远。

端氨基的多肽聚(γ-苄基-1-谷氨酸)(PBLA)在聚合度大于18时会形成α-螺旋结构，而在聚合度小于18时，PBLA中会同时存在α-螺旋和β-折叠结构。Gu等[31]将PBLA的聚合度控制在15，使PBLA具有蜘蛛丝特有的α-螺旋和β-螺旋结构，并通过脲键与聚四氢呋喃二元醇相连，合成出仿蜘蛛丝蛋白材料，之后将该蛋白溶解在六氟异丙醇中作为纺丝原液，再通过干法纺丝得到的纤维的抗拉强度达到100 MPa， 韧性可达387 MJ/m3。这种方法简单高效，为获得人造蜘蛛丝开辟了一条非常有前景的道路。

4 仿蜘蛛丝纤维的研发

4.1 基于聚合物材料的仿蜘蛛丝纤维

基于天然蜘蛛丝的核壳结构，Dou等[32]利用聚丙烯酸与乙烯基功能化二氧化硅纳米颗粒(VSNP)制备了交联水凝胶，通过水蒸发控制的自组装，获得了具有核壳结构的仿蜘蛛丝纤维，制备工艺如图3[32]所示，通过掺杂离子和加捻可增强仿蜘蛛丝纤维的力学性能，其拉伸强度可达895 MPa，韧性为370 MJ/m3，阻尼可达95%。Chu等[33]采用上述类似的方法从大块水凝胶中获得了可调控的聚合物纤维，透明质酸与支链聚乙二醇聚合物形成动态交联，其中支链聚乙二醇聚合物用各种结构的硼酸官能化修饰，产生可调式生物聚合纤维。通过调整聚合物的结构和浓度，可以定制聚合物纤维的弹性模量、拉伸强度和应变，同时聚合物纤维在高湿度环境下具有与蜘蛛拖丝相同的超收缩行为。

图3 水凝胶纤维的制备流程Fig.3 Preparation of hydrogel fibres.(a) VSNP formation and free radical polymerization；(b) Forming process of single fiber by drawing

Zhao等[34]在聚丙烯酸钠(PAAS)水凝胶(PAH)纤维上涂覆一层薄薄的聚丙烯酸甲酯制备了具有核壳结构的复合纤维(MAPAH纤维)，在MAPAH纤维中，PAAS结晶区和非晶区共存并可快速可逆互变，使MAPAH纤维表现出优异的力学性能、导电性能以及抗冻性能。

蜘蛛丝是由高度重复的结晶和非晶蛋白序列有序组装而成的。其中，结晶区β-折叠嵌段提供刚性，非晶蛋白嵌段提供柔性，这些组装单元有序整合在一起，实现了蜘蛛丝力学性能的最优化。受此启发，Yu等[35]利用无机羟基磷灰石和有机聚乙烯醇(PVA)分别模拟刚性结晶和柔性无定形嵌段，制备了仿生矿化有机-无机杂化纤维，制备过程如图4[35]所示。该纤维具有超高的拉伸强度(949±38) MPa， 当量质量标准化韧度达到(296±12) J/g，拉伸应变为80.6%，可与天然蜘蛛丝媲美。Kim等[36]以亲水性聚氨酯作为基材，氧化石墨烯(GO)和多壁碳纳米管(MWNT)作为增韧剂，通过湿法纺丝得到了高强高韧纤维。GO/MWNT形成的对齐互传网络相当于蜘蛛丝中β-折叠结构，提高纤维的强度和韧性，而弹性聚氨酯基体类似蜘蛛丝的非晶相提高纤维的应变延展性，该纤维的当量质量标准化韧度可达494 J/g，并可保持80%的完全可逆应变。

图4 PVA/Alg/HAP复合纤维的制备过程及微观网络结构示意图Fig.4 Schematic illustration of preparation process and network microstructure of PVA/Alg/HAP hybrid macrofiber

4.2 基于碳纳米管材料的仿蜘蛛丝纤维

基于碳纳米管(CNTs)材料的仿蜘蛛丝纤维可通过改变环境相对湿度或直接与水接触来驱动其收缩、伸长或旋转。文献[37]报道了一种对湿度有响应的仿蜘蛛丝纤维，其将包含聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的CNTs片缠绕在一起，所得纤维的初始表面具有卷曲褶皱结构，纤维与水接触后直径增大，褶皱结构消失，其最大拉伸应变为78%，在不同的环境相对湿度下可进行100次拉伸驱动。

Zhao等[38]采用一种简单的基于液流组装的策略用于制备具有超高断裂韧性与强度的复合纳米纤维。在准液态的水凝胶表面和重力的双重作用下，含有碳纳米管和海藻酸钠的水溶液可沿水凝胶沟槽快速流动，从而诱导碳纳米管取向排列，水凝胶沟槽中的Ca2+与海藻酸钠发生原位交联形成复合纤维，该纤维可通过在水中浸泡从水凝胶沟槽中分离出来，经干燥得到复合纳米纤维，其拉伸强度和断裂韧性分别高达(643±27) MPa和(77.3±3.4) MJ/m3， 断裂伸长率为(14.8±1.5)%。这种具有较强普适性和高效率的液流诱导取向策略，为高性能复合纳米纤维的实际应用提供了新的可行发展方向。

5 结束语

天然蜘蛛丝作为一种具有优良力学性能的生物蛋白材料，在生物医学、军事工业和材料科学等领域有着广泛的应用。天然蜘蛛丝产量较低，很难获得用于工业化生产的蜘蛛丝纤维，这极大地限制了蜘蛛丝在各领域的应用。利用重组蛛丝蛋白制备人造蜘蛛丝纤维可在一定程度上实现大规模生产，但其力学性能很难达到天然蜘蛛丝的水平，如何提高其力学性能是大规模生产要面临的重要问题。虽然采用化学合成法制备人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维已经取得了较大的进展，在力学性能方面已经达到甚至超过天然蜘蛛丝，但要实现产业化生产仍面临很多问题。其主要原因是，在传统的高强纤维和复合材料制备原理及方法的基础上，通常可引入天然蜘蛛丝的部分结构特征实现强度和韧性的增加，而要实现多层次结构的协同作用依然是一个难点。这是因为天然蜘蛛丝的形成过程是集多个物理与化学过程的系统工程，包括纺丝、大分子链相互作用调节、相分离生成纳米级结构、微观的核壳结构调控等，因此，如果想要通过人工合成的方法实现天然蜘蛛丝的多层次结构特征，制备高强、高韧性纤维，需要从头建立一个全新的人造蜘蛛丝的系统性制备方法。为此，本文认为，如果参考天然蜘蛛丝的纺丝过程，通过对人工合成纤维的化学组成、组装结构和成丝过程进行调控，有可能模仿出蜘蛛丝的多层次结构特征，从而得到高强、高韧性人造蜘蛛丝和仿蜘蛛丝纤维。