經(jīng)過多年研究蜘蛛絲的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生過程，研究人員在實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)成功地制備出高強(qiáng)高彈的蜘蛛絲樣品。合成的蜘蛛絲材料可以用于各種各樣的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如器官移植手術(shù)中的縫合線、繃架等。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》上。作者為麻省理工學(xué)院(MIT)土木與環(huán)境工程的教授Markus Buehler，博士后Shangchao Lin和SeunghwaRyu等人，涉及德國(guó)麻省理工學(xué)院，意大利塔夫茨大學(xué)和英國(guó)波士頓大學(xué)。

如圖所示為麻省理工學(xué)院的研究人員模擬蜘蛛絲制備的纖維材料。上圖光學(xué)顯微鏡圖像，下圖為掃描電子顯微鏡圖像。左圖是8微米的纖維，右圖是3微米的纖維。

該項(xiàng)研究涉及一系列的組塊模擬和實(shí)驗(yàn)，為研制優(yōu)于自然絲織品的新型纖維奠定了基礎(chǔ)。土木與環(huán)境工程學(xué)院的主任Buehler說，纖維的設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合強(qiáng)度、彈性、韌性等特性。

新型合成纖維的蛋白質(zhì)通常由基因改造的細(xì)菌產(chǎn)生。蛋白質(zhì)通過微流體通道（噴絲頭）被擠壓，而蜘蛛則生產(chǎn)天然的真絲纖維。

蜘蛛絲一直被公認(rèn)為是強(qiáng)度最高的材料，但是蜘蛛產(chǎn)絲量有限。利用這種新方法，可以生產(chǎn)出高強(qiáng)、彈性的纖維，并用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。就其本質(zhì)而言，蜘蛛絲完全不會(huì)引起生物體的排斥反應(yīng)，用于身體內(nèi)部最終被人體吸收，沒有不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

研究者在“旋轉(zhuǎn)”制備纖維的過程中，將蛋白質(zhì)溶解在水中，通過一個(gè)小開口擠壓并進(jìn)行速度控制，從而制備高強(qiáng)纖維。分子本身是疏水性化合物和親水性化合物的混合物，以自然對(duì)齊的方式形成的纖維要明顯強(qiáng)于任一組分。Buehler指出，“當(dāng)旋轉(zhuǎn)制備纖維時(shí)，將在一個(gè)方向上形成很強(qiáng)的鍵。

研究小組發(fā)現(xiàn)，將蛋白質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌现陵P(guān)重要。麻省理工學(xué)院的博士后，現(xiàn)任韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)和技術(shù)研究所助理教授的Ryu說：“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)中疏水蛋白的比例較高時(shí)，旋轉(zhuǎn)形成的纖維質(zhì)量很差。我們必須找到正確的組合蛋白質(zhì)，以制備高強(qiáng)纖維。”

該項(xiàng)目首次使用模擬模式，在分子水平上制備纖維。模擬的過程十分重要。麻省理工學(xué)院的博士后，現(xiàn)任佛羅里達(dá)州立大學(xué)助理教授的Lin說：“其實(shí)合成蛋白質(zhì)的研究要持續(xù)幾個(gè)月，如果蛋白質(zhì)沒有理想的特性，研究過程就會(huì)繼續(xù)下去。使用模擬過程可以大范圍的掃描蛋白質(zhì)，直到我們看到纖維剛度的變化，然后進(jìn)一步合成化合物。”

一旦纖維的屬性可以直接控制，我們就可以制備出比天然纖維強(qiáng)度更高的纖維材料，工程師在使用時(shí)可以選擇具有特定屬性的材料。作為蜘蛛，需要彈性的蜘蛛絲以便在捕捉昆蟲時(shí)不破壞蜘蛛網(wǎng)。用作手術(shù)縫合線的纖維相比之下，更需要高強(qiáng)和略小的彈性。Buehler說：“研究制備絲，我們別無選擇。”

纖維材料的處理可以在水基溶液中室溫下進(jìn)行，因此商業(yè)化制備纖維相對(duì)較容易。目前為止，該研究室的纖維的強(qiáng)度并沒有天然蜘蛛絲高，但是根據(jù)現(xiàn)在的研究進(jìn)展，通過調(diào)整材料就可以提高纖維的強(qiáng)度。

Lin說：“我們的目標(biāo)是借鑒自然之道提高纖維的強(qiáng)度、彈性和韌性。”這項(xiàng)研究可以促進(jìn)合成纖維部分屬性的發(fā)展，如纖維的電性能和熱性能。