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  蜘蛛在地球上已經進化了數億年，是最古老的物種之一。蜘蛛絲是一種天然的生物纖維，因其具有高拉伸強度、高韌性、高導熱性、超收縮性、特殊的扭轉驅動等優異的性能而引起了研究者的廣泛關注。了解蜘蛛絲的結構有助于解釋蛛絲的優異性能，從而為人工制備仿生蛛絲類纖維提供理論依據。

  東華大學朱美芳院士/南開大學劉遵峰教授/中國藥大周湘等人最近在《Advanced Science》上發表的綜述“Spider Silk-Inspired Artificial Fibers”，總結了天然蜘蛛絲的分級結構和多重性能，分別為蜘蛛蛋白的一級和二級結構、納米原纖維結構、“核-殼”結構、“納米漁網”結構，濕度/水響應、集水、導光、導熱和形狀記憶效應，此外，該綜述還列舉了一些受這些結構和性能啟發的人造纖維的例子。最后，該綜述總結和展望了蜘蛛絲和受蛛絲啟發的人造纖維的研究進展和挑戰。

1.蜘蛛絲的力學性能和結構模型

  蜘蛛絲因其高強度、高韌性、高楊氏模量而著名，其韌性高于很多人造纖維，如尼龍-66、凱夫拉纖維和碳纖維。蜘蛛的尾部有7種腺體，可以產生7種不同結構和功能的絲，分別為大壺狀腺絲、小壺狀腺絲、葡萄狀腺絲、梨狀腺絲、管狀腺絲、集合狀腺絲和鞭毛狀腺絲，每種絲在蜘蛛網上扮演著不同的角色。大壺狀腺絲也叫牽引絲，是力學性能最優異的絲，其斷裂強度可達1652 MPa,也是構成蜘蛛網骨架的框絲。牽引絲主要有MaSp1和MaSp2兩種蛛絲蛋白構成。蛛絲蛋白包括三個區域，分別為中間的重復區域和兩端非重復區域的氨基端和羧基端，中間的重復區域通過形成β-晶區對力學性能有很大的貢獻，而兩端的非重復區域控制著蛛絲纖維的形成。蜘蛛絲是一種半結晶生物纖維，其內部的β-晶區鑲嵌在非無定形區域，起著交聯點的作用以增加力學性能。此外。蜘蛛絲是一種核殼結構的纖維，內部有納米原纖維組成，納米原纖維的內部有像漁網結構一樣的結構形態。這些結構特征對其力學性能都有很大的貢獻。

圖1. 圖a為蛛絲蛋白的結構模型，包括其氨基酸序列和二級結構。圖b為蜘蛛絲的多層結構示意圖。圖c為納米原纖維結構示意圖。圖d為納米漁網結構示意圖。圖e為核殼結構示意圖。

2.仿生高強韌人造纖維

  隨著對蜘蛛絲結構的深入研究，生物技術、納米技術、高分子化學和材料科學等技術在制備高強韌仿生蛛絲纖維方面取得了很大進展。用于制備高強韌纖維的材料包括重組蛛絲蛋白、非蛛絲蛋白、高分子材料(如水凝膠、聚氨酯、纖維素等)及其復合材料。

圖2. 基于重組蛛絲蛋白、非蛛絲蛋白、多肽的人造高強韌纖維

圖3. 基于水凝膠纖維的人造高強韌纖維

3.蜘蛛絲的其他性能和受啟發的人造纖維

  蜘蛛絲除了優異的機械性能外，還表現出許多其他有趣的物理性能，包括濕度/水響應、水分收集、光導、導熱、扭轉能量耗散、形狀記憶等。根據這些性能，啟發了研究人員制備仿生人造功能纖維。

圖4. 蜘蛛絲的濕度/水響應特性和人造纖維的超收縮特性

圖5. 蜘蛛絲的集水過程和受啟發的人造纖維表面結構示意圖

圖6. 蜘蛛絲的光導性能和人造纖維的光導性能

4.總結與展望

  蜘蛛絲具有高強度、高韌性、良好的熱導率、光學特性、超收縮、阻尼、集水和扭轉等特性。這些獨特的特性將在能量耗散、熱耗散、光學傳感器、人造肌肉、軟機器人和生物醫學應用等方面產生潛在的應用。蜘蛛由于領地意識，如果在有限的空間中大規模的養殖，它們往往會互相殘殺，這就導致了難以獲得大量的天然蜘蛛絲。因此，通過化學合成、調控聚合物組成和結構來人工模擬天然蜘蛛絲的內部結構獲得仿生人造纖維是迫切需要的。迄今為止，通過使用重組蛛絲蛋白、非蛛絲類蛋白、聚合物材料（水凝膠、聚氨酯、纖維素）及其復合材料制備仿生纖維，已被證明在制備高強韌纖維方面是非常有希望的材料。盡管取得了很大進展，但由于難以完全模擬蜘蛛絲內部復雜的多層次結構，人造纖維的力學性能與天然蜘蛛牽引絲的力學性能仍有較大差距。目前，在發展新型紡絲方法方面取得了一些重要進展，如拉伸紡絲、濕法紡絲和動態交聯紡絲，通過模仿蜘蛛紡絲器官來紡制人造纖維仍然是一個挑戰。如何實現從分子級、納米級到微米級的多層次結構，采用協同的紡絲方法，仍然是一個需要解決的問題。

  蜘蛛絲的超收縮行為使蜘蛛網在被飛蟲變形后，在雨天或露水中能拉緊或恢復其初始形狀。這種自我修復能力是一種可用于智能材料設計的形狀記憶行為。此外，蜘蛛絲表現出濕度/水驅動扭轉、收縮和超收縮，可用于軟機器人、人造肌肉和傳感器領域。此外，蜘蛛絲對能量吸收具有很高的阻尼能力，可以減少懸掛蜘蛛受到干擾時的振蕩。通過模仿蜘蛛絲的結構來實現這些有趣的特性，將為制備各種智能纖維材料提供新的策略。此外，蜘蛛絲還有其他有趣的特性，包括高導熱性、良好的透光率和生物相容性。模擬蜘蛛絲的其他特性（例如，形狀記憶、自修復或阻尼能力）仍然是一個挑戰，需要進一步研究。此外，通過結合電學、光學和磁學特性，蜘蛛絲狀纖維在可穿戴電子、光學傳感器、智能控制和能量收集等領域具有廣闊的應用前景。

  該綜述以“Spider Silk-Inspired Artificial Fibers”為題發表在《Advanced Science》上。文章第一作者為南開大學化學學院2021級博士研究生李家田，共同第一作者為南開大學藥學院2017級博士研究生李思彤，通訊作者為東華大學朱美芳院士、南開大學劉遵峰教授、和中國藥科大學周湘副教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103965