第三节 蜘蛛丝

蜘蛛丝属于蛋白质纤维，可生物降解且无污染。蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、抗紫外线、密度小、耐低温的特点，尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，被誉为“生物钢”。

一、蜘蛛丝的分类和形态

蜘蛛与蚕不同，蜘蛛在整个生命过程中产生许多不同的丝，每一种丝来源于不同的腺体。中国大腹圆蜘蛛可根据生活需要，由7种腺体分泌出具有不同性能的丝线，如牵引丝（拖丝）、蛛网框丝、包卵丝和捕获丝等，表4-12是不同丝的性能比较。

二、蜘蛛丝的组成和结构

蜘蛛丝是由多种氨基酸组成的，含量最多的是丙氨酸、甘氨酸、谷氨酸和丝氨酸，还包括亮氨酸、脯氨酸和酪氨酸等大约有17种。中国的大腹圆蜘蛛牵引丝的蛋白质含量约95.88%，其余为灰分和蜡质物。

大腹圆蜘蛛牵引丝、蛛网框丝及包卵丝都具有原纤化的结构。牵引丝经酶处理及离子刻蚀后，显示出明显的皮芯层构造，并且皮层结构的稳定性比芯层好。包卵丝与牵引丝有相似的皮芯层，但它们的表层较牵引丝的薄。

研究认为，中国大腹圆蜘蛛的牵引丝、蛛网框丝及包卵丝中都存在β-曲折、α-螺旋以及无规卷曲和β-转角构象的分子链，同时可能还有其他更复杂的结构，且蜘蛛丝中具有β-曲折构象的分子链沿纤维轴心线有良好的取向。这三种不同功能蜘蛛丝的分子构象以β-曲折和α-螺旋为主。包卵丝中β-曲折构象的含量比牵引丝和框丝多，而α-螺旋的含量相对较少，并且其β-曲折构象的分子链具有比牵引丝和框丝更好的取向。框丝中α-螺旋含量比牵引丝多，而β-曲折构象比牵引丝少，蜘蛛牵引丝中结晶部分的取向度很高，除结晶区和非结晶区外，还存在分子排列介于结晶区和非结晶区之间的中间相构造，这部分约占纤维总量的1/3，并且具有良好的取向。结晶部分分布于非结晶区中，中间相连接于结晶和非结晶区之间，从而对蜘蛛丝纤维起增强作用。蜘蛛丝的结晶度很低，几乎呈无定形状态，其中未经牵伸的牵引丝的结晶度只有桑蚕丝结晶度的35%，但牵引丝牵伸后，取向度和结晶度大幅提高。

三、蜘蛛丝的力学性能

蜘蛛丝的皮芯层结构使纤维在外力作用下，由外层向内层逐渐断裂。结构致密的皮层在赋予纤维一定刚度的同时在拉伸起始阶段承担较多的外力，一旦内层的原纤及原纤内的分子链因外力作用而沿纤维轴线方向形成新的排列结构后，纤维内层即能承担很大的负荷，并逐渐断裂，因此蜘蛛丝最终表现出很大的拉伸强度和伸长能力，外力破坏单位体积纤维所要做的功很大。

根据测定，蜘蛛牵引丝的强度和弹性是令人难以置信的。从表4-13可看出蜘蛛牵引丝的强度与钢相近，虽低于对位芳纶纤维，但明显高于蚕丝、橡胶及一般合成纤维，伸长率则与蚕丝及合成纤维相似，远高于钢及对位芳纶，尤其是其断裂功最大，是对位芳纶的三倍之多，因而其韧性很好，再加上其初始模量大，密度最小，所以是一种非常优异的材料。蜘蛛丝的力学性质受温度、回潮率等的影响。干丝较脆，当拉伸超过其长度的30%时就断裂，而湿丝则有很好的弹性，拉伸至其长度的300%时才发生断裂。蜘蛛丝在常温下处于润湿状态时，具有超收缩能力（可收缩至原长的55%），且伸长率较干丝大（但仍有很高的弹性恢复率，当延伸至断裂伸长率的70%时，弹性恢复率仍可高达80%～90%）。

四、蜘蛛丝的化学性能

蜘蛛丝是一种蛋白质纤维，具有独特的溶解性，不溶于水、稀酸和稀碱，但溶于溴化锂、甲酸、浓硫酸等，同时对蛋白水解酶具有抵抗性，不能被其分解，遇高温加热时，可以溶于乙醇。蜘蛛丝的主要成分与蚕丝丝素的氨基酸组成相似，有生物相容性，所以它可以生物降解和回收，同时不会对环境造成污染。蜘蛛丝所显示的橙黄色遇碱则加深，遇酸则褪色，它的微量化学性质与蚕丝相似。此外，不同种类蜘蛛丝的氨基酸组成有很大差异，在蜘蛛的不同丝腺中丝液的氨基酸组成也有较大的差异，蜘蛛的腺液离开身体后，在空气中挥发形成固体，成为一种蛋白质丝，这种蛋白丝不溶于水。

五、蜘蛛丝的其他性能

蜘蛛丝在200℃以下表现热稳定性，300℃以上才变黄；而一般蚕丝在110℃以下表现热稳定性，140℃就开始变黄。蜘蛛丝具有较好的耐低温性能，据报道，在-40℃时它仍有弹性，而一般合成纤维在此条件下已失去弹性。

蜘蛛丝摩擦因数小，抗静电性能优于合成纤维，导湿性、悬垂性优于蚕丝。因此蜘蛛丝纤维除了具有天然纤维和合成纤维的优良性能外，还具有其他纤维所无法比拟的独特性能。

六、蜘蛛丝的人工生产

蜘蛛丝是一种可生物降解的材料，而且蜘蛛制丝是在常温、常压，以水为溶剂的温和条件下进行的，故对环境无污染。因此，该领域近几年成为生物学家及材料学家的研究热点，但由于蜘蛛丝的来源极为有限，且蜘蛛是肉食动物，不喜群居，相互之间残杀，规模化生产困难极大（中国目前已有适量饲养），所以世界各国科学家对蜘蛛丝的化学组成、结构以及蜘蛛丝的基因组成进行了深入地研究，以期研制出人工制造的蜘蛛丝。

目前对蜘蛛丝的研究主要集中在以下两个方面。

1.利用转基因技术 将蜘蛛牵引丝的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中进行表达，生成蜘蛛牵引丝蛋白质，并提纯出此蛋白质。该领域包括以下几个探索方向。

（1）蚕吐蜘蛛丝：有研究者提出将蜘蛛牵引丝的基因移植到蚕体内“吐”蜘蛛丝，此方法目前尚未实现。

（2）动、植物合成蜘蛛丝：将蜘蛛丝蛋白基因转移到山羊、奶牛、小白鼠等动物体或烟草等植物体内，然后将蛋白质单体从中分离出来，并经纺丝得到蜘蛛丝纤维，但目前此方法的效率极低。

（3）微生物合成蜘蛛丝：将蜘蛛牵引丝蛋白基因转入细菌中，通过细菌发酵的方法得到蜘蛛牵引丝蛋白，再进一步纺丝得到蜘蛛丝纤维。1997年中国福建师范大学曾在大肠杆菌和酵母中分别表达了蜘蛛丝蛋白基因。此方法目前尚在研究。

2.采用合适的仿生纺丝技术 这也是把蜘蛛丝蛋白最终转变成高性能纤维的一个关键点。1998年美国杜邦公司曾用六氟异丙醇溶解蜘蛛丝蛋白进行人工纺丝研究，但由于纺丝方法与蜘蛛吐丝过程并不一样，且所用溶剂有很强的极性作用，因此结果并不理想。2002年，美国陆军生物化学部首次用水作溶剂对蜘蛛丝蛋白进行了纺丝探索，但由于得到的丝极少，强度也较低，还需对纺丝过程进行进一步的研究和优化。