经过多年对蜘蛛丝复杂结构和生产过程的研究，研究人员如今已成功在实验室中制成这种强度极高、韧性出色的材料样品。这一新进展有望带来多种生物医学材料——从缝合线到用于替代器官的支架——这些材料由合成蜘蛛丝制成，其特性可根据预定用途进行专门调节。
这项研究成果于本周发表在期刊 《Nature Communications》 上，作者包括麻省理工学院土木与环境工程（CEE）教授 Markus Buehler、博士后 Shangchao Lin 和 Seunghwa Ryu，以及麻省理工学院、塔夫茨大学、波士顿大学和德国、意大利及英国的其他研究人员。
Buehler 说，这项结合模拟与实验的研究为“创造特性更优的新型纤维”铺平了道路，使其性能超越天然蜘蛛丝。他同时担任 CEE 系主任。他表示，这项工作应能让人们设计出具有特定强度、弹性和韧性特征的纤维。
新型合成纤维的蛋白质——这种材料的基本构成单元——是通过对细菌进行基因改造而制成的，使细菌能够生产通常由蜘蛛生成的蛋白质。随后，这些蛋白质被挤压通过微流控通道；这些通道旨在模拟一种名为纺丝器的器官所产生的作用，蜘蛛正是利用纺丝器制造天然丝纤维。
无需蜘蛛
蜘蛛丝长期以来一直被认为是已知强度最高的材料之一，但实际上无法通过饲养蜘蛛来生产可收集的纤维——因此，这种生产合成但类似蜘蛛丝的新方法，或能让这类强韧而柔韧的纤维用于生物医学领域。蜘蛛丝本身完全具有生物相容性，可在体内使用而无不良反应风险；最终它会被人体吸收。
研究人员的“纺丝”过程，是将溶于水的构成蛋白质以受控速率挤压通过一个微小开口，从而使分子排列成能够形成强韧纤维的方式。这些分子本身是疏水性和亲水性化合物的混合物，经过调配后会自然排列并形成纤维，其强度远高于构成它们的各个部分。Buehler 说：“纺丝时，会沿一个方向形成非常牢固的键。”
团队发现，蛋白质配比至关重要。Ryu 说：“我们发现，如果疏水性蛋白质比例很高，就无法纺出任何纤维，只会形成一团难看的物质。”他曾以博士后身份在麻省理工学院参与该项目，目前是韩国科学技术院助理教授。他说，为了制成强韧纤维，“我们必须找到合适的配比”。
闭合循环
该项目首次运用模拟，从分子层面理解蜘蛛丝的生产过程。Buehler 解释说：“模拟至关重要”：实际合成一种蛋白质可能需要数月；如果合成出的蛋白质不具备完全合适的特性，就必须从头再来。
Lin 说，模拟可以让研究人员“扫描大量蛋白质，直到发现纤维刚度发生变化”，然后再集中研究这些化合物。他曾以博士后身份在麻省理工学院参与该项目，目前是佛罗里达州立大学助理教授。
最终，直接控制材料特性或能制造出比天然纤维更强的纤维，因为工程师可以针对特定用途选择相应特性。例如，蜘蛛可能需要弹性，以便蛛网捕捉昆虫时不会断裂；而设计用于外科缝合线的纤维，则需要更强的强度和更低的延展性。Buehler 说：“蜘蛛丝无法让我们作出这样的选择。”
团队成员表示，这种材料可在室温下通过水基溶液加工，因此扩大生产规模应该相对容易。目前，他们在实验室制成的纤维还不如天然蜘蛛丝强韧，但既然基本工艺已经确立，他们认为就有望进一步微调材料并提高其强度。
Lin 说：“我们的目标是借鉴自然界的巧思，提升人工纺制纤维的强度、弹性和韧性。”这项研究或能启发新型合成纤维的开发，也可能启发对其他需要增强特性的材料的开发，例如在特定方向上提升电传输和热传输性能。
布朗大学工程学教授 Huajian Gao 并未参与这项研究。他说：“这是一项了不起的工作。这可能带来突破，使我们能够直接探索类蜘蛛丝材料的工程应用。”
Gao 补充说，团队对蛛网结构变化的探索“可能对改进纤维增强复合材料的设计产生实际影响，在不增加重量的情况下显著提升其强度和稳固性。这对材料创新的影响可能尤为重要，特别是在轻量化至关重要的航空航天和工业应用中。”
这项研究得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、美国海军研究办公室、韩国国家研究基金会和欧洲研究理事会的支持。
本文由 MIT News合作发布。发布本文并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：David L. Chandler 是 MIT News 特约撰稿人。
2014年10月28日，在南特附近的 Vertou，露珠悬挂在蜘蛛网上。 路透社/Stephane Mahe。
