天然蜘蛛丝仿生材料

天然蜘蛛丝仿生材料SWCranfordetal.Nature482,72-78(2012)一、天然蜘蛛丝介绍1.1、天然蜘蛛丝的组成与结构1.2、蜘蛛丝的特点与应用二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料2.1、蛋白基因仿生生物表达法2.2、链段及二次结构仿生化学合成法2.3、微观结构仿生物理复合法2.4、金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性三、天然蜘蛛丝仿生学与仿生材料的展望目录1.1天然蜘蛛丝的组成与结构自然条件下，蜘蛛网主要由捕捉丝、径向丝以及圆周丝三种类型的丝构成，捕捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶腹腺中合成，蜘蛛的腺体液离开腺体后经过脱水固化为蛋白纤维。RandolphV.Lewis,Chem.Rev.2006,106,3762-3774一、天然蜘蛛丝的介绍1.1天然蜘蛛丝组成与结构SinanKeten,ZhipingXu,etal,NatureMaterials,9,359–367(2010)通过研究人员的结果分析，蜘蛛丝的蛋白结构中具有结晶及非结晶结构，其中紧密的结晶β折叠(由氢键相连)被松散的非结晶次级结构所连结，前者增加了蜘蛛丝的物理强度及硬度，后者增加了蜘蛛丝的延展性。天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料，属于一种生物弹性体纤维，它是自然界产生最好的结构和功能材料之一。表1列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能，通过比较可以发现，天然蜘蛛丝优良的综合性能，特别是其高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能180MJ/m3为各材料中最高)是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。1.2蜘蛛丝的特点与应用刘全勇,江雷.仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料[J].高等学校化学学报.2010.6(31):1065~1071应用建筑高性能面料服装航空航天领域军事医疗卫生高强度强延展性比重小耐低温高韧性可降解性1.2蜘蛛丝的特点与应用二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料蜘蛛属肉食性动物，不喜群居；再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时，蜘蛛之间会相互撕咬，则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝；并且由于蜘蛛本身腺体较多，不同腺体产生的丝性能不同，无法得到单一性质的蜘蛛丝。另外，由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需，则应用范围收到极大限制，因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料。其中，利用仿生学原理，通过研究蜘蛛丝的结构和功能，来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。HeimM.,KeerlD.ScheibelT.,Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48(20),3584-3596蜘蛛丝仿生思路蛋白基因仿生生物表达法链段及二次结构仿生化学合成微观结构仿生物理复合法金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性……………………2.1蛋白基因仿生生物表达法LewisR.V.etal.,ProteinExpPurif,1996(7):400-406.在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上，通过构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因，然后采用生物工程信息技术手段，将这些蛋白基因寄托于某种生物载体（微生物、植物、哺乳动物、家蚕等）进行表达并生产，从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料，然后将蛋白质原料经过特殊的纺丝程序，放出人工蜘蛛丝。微生物作为载体进行基因表达收集菌体通过超声波破碎法裂解，清洗后经行电泳实验测定蛋白。植物作为载体进行基因表达PrinceJ.T.etal,Biochemistry,1995,34(34):10879-10885;PotatoGraterStarchHeatProteinSpidersilkFractioninginwet-processFiltration哺乳动物作为载体进行基因表达山羊通过泌乳产生蜘蛛丝蛋白猪通过泌乳产生蜘蛛丝蛋白家蚕作为载体进行基因表达ThomasScheibel,MicrobialCellFactories.2004,3(14)YungenMiao,YuansongZhang,KoiehiNakagaki.,AppliedMicrobiologyandBiotechnology2006,71(02)传统湿法纺丝示意图A,机械推注泵；B,有机溶液；C,凝固浴；D,清洗浴；E,拉伸辊；F,收集辊静电纺丝示意图蜘蛛丝蛋白纺丝过程传统湿法纺丝静电纺丝纺丝直径尺寸微米量级纳米量级方法优势方法简单，易行，设备价格低廉操作简单，纺丝直径均匀方法劣势纺丝直径单一，较大影响因素较多，各种因素影响效果不太明确JonathanA.Kluge,etal,Trendsinbiotechnology,26(2010),pp.244-251Sung-wonHa,AlanE.Tonelli,andSamuelM.Hudson,Biomacromolecules,6(2005),pp.1722-1731LazarisA,etal.Science,95(2002),pp.472-476静电纺丝设备2.2链段及二次结构仿生化学合成法天然蜘蛛丝蛋白实际上是一种由不同氨基酸单元（主要为丙氨酸和甘氨酸单元）组成的链段共聚物，其二次结构主要包括β-折叠构象和螺旋构象，通过链段及二次结构仿生化学合成法，从分子结构出发，可以设计具有天然蜘蛛丝蛋白链段结构和二次结构类似的各种聚合物，这为天然蜘蛛丝仿生材料的发展开拓了一个崭新方向。Guidow.M.Vandermeulen,etal,,Biomacromolecules,2006,7,1005-1010;从材料的微观结构分析，天然蜘蛛丝具有软段区域和硬段区域，即无定形区和结晶区形成的微相分离结构，结晶相以纳米晶的形式分散在无定形相中，拉伸时沿轴向取向，从而赋予天然蜘蛛丝高强度。科学家通过模拟蜘蛛丝的微观结构，引入特殊的纳米材料（碳纳米管、纳米粘土等）对聚合物（如聚乙烯醇、聚氨酯等）进行物理复合增强，从而制备出所需要的天然蜘蛛丝仿生纤维或复合材料。2.3微观结构仿生物理复合法StefanKubik,Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,2721-17232.4金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性自然界某些生物体，如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等，由于含有极为少量的金属元素(如Zn，Mn，Ca，Cu等)而大大改善了这些部位的力学性能，特别是其刚度和硬度。人们模仿生物体的这种特性，对天然蜘蛛丝自身进行了仿生修饰。通过多重脉冲气相渗透技术(MPI)，将金属Zn，Ti和Al引入到天然蜘蛛丝中，他们认为在水蒸气和副产物气体(如甲烷或者异丙醇)破坏蜘蛛丝分子间氢键的同时，一方面，Zn2+、A13+和Ti4+金属离子在氢键位点形成了金属-蛋白络合物或更强的共价键，另外使β-折叠片晶相尺寸减小，非晶相组分则相对增加，从而使天然蜘蛛丝的强度、模量、伸长率及坚韧性大大提高．Lees.M.,etal,Science,2009,324(5926):488-492三、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料的展望仿生学及仿生材料是一门涉及多领域的交叉前沿学科，采用仿生学原理，设计与天然生物材料具有完美结构和功能的仿生材料，是许多科学家共同期待的目标。天然蜘蛛丝具有高比强度、优异弹性和坚韧性及出色的综合性能，是其他纤维不可相比的，受蜘蛛丝启发，天然蜘蛛丝仿生学为材料设计提供了新颖的设计方法。但由于技术手段限制，现在对于蜘蛛丝本身的研究以及对仿生学这两方面研究的程度还不够彻底，仿生学的发展受到了一定的限制，从分子层面探索清楚天然蜘蛛丝的机理以及从材料设计和合成层面探索清楚蜘蛛丝仿生的根本原理是现在急需解决的问题。