每平方厘米可承重5噸、每平方毫米可以吊起一個50公斤重的成年人——天然蛛絲，在動漫、電影里是蜘蛛俠的得力武器，在現(xiàn)實生活中，由于其驚人的力學(xué)強(qiáng)度和卓越的延展性，一直是材料科學(xué)領(lǐng)域仿生研究的理想模板。
近日，香港城市大學(xué)胡金蓮教授與深圳北京大學(xué)香港科技大學(xué)醫(yī)學(xué)中心劉偉研究員聯(lián)合組建的研究團(tuán)隊經(jīng)過5年科研攻關(guān)，在重組蜘蛛絲材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究創(chuàng)新采用“邊緣半胱氨酸鎖定”的精準(zhǔn)分子工程設(shè)計方法，成功攻克重組蛛絲力學(xué)性能不足、濕度穩(wěn)定性差等核心難題，研發(fā)出兼具超高強(qiáng)度、韌性與環(huán)境適應(yīng)性的人工蛛絲纖維，相關(guān)研究成果日前相繼發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》和《微尺度》。
“由于蜘蛛養(yǎng)殖難、蛛絲產(chǎn)量極低，蛛絲很難通過養(yǎng)殖手段進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化獲取。”劉偉解釋，因此，通過大腸桿菌生產(chǎn)蛛絲蛋白，再進(jìn)行人工重組一直是科研領(lǐng)域的重點研究方向。“然而長期以來，人工合成蛛絲由于蛋白分子量偏小、結(jié)構(gòu)松散，面臨結(jié)晶穩(wěn)定性不足、力學(xué)性能衰減等問題，難以實現(xiàn)穩(wěn)定紡絲。”
為什么蛛絲液在蜘蛛體內(nèi)是液體，經(jīng)蜘蛛吐絲就變成了強(qiáng)韌的固體？研究團(tuán)隊將研究重點從形態(tài)仿生轉(zhuǎn)向過程仿生，開始模擬蜘蛛腺體內(nèi)的精密調(diào)控過程。
“我們整合了分子設(shè)計、生物合成、材料加工與模擬計算等多學(xué)科技術(shù)手段，改變了之前的有機(jī)溶劑溶解方法，轉(zhuǎn)為采用水相仿生法，通過調(diào)控酸堿度和鹽濃度模擬自然吐絲過程，將液態(tài)蛋白轉(zhuǎn)化為固態(tài)纖維，最后引入二硫鍵交聯(lián)處理，來提升纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。”文章第一作者、團(tuán)隊聯(lián)合培養(yǎng)博士生栗敏解釋。這樣紡出的重組蛛絲纖維具有三大核心優(yōu)勢：一是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，有效抵御水分誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)破壞；二是力學(xué)性能均衡，實現(xiàn)了高強(qiáng)度與高韌性的結(jié)合，且加工過程綠色環(huán)保，無須有機(jī)溶劑；三是功能可編程，不僅能實現(xiàn)濕度響應(yīng)的可逆形變與形狀記憶，還可通過微流控技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)規(guī)模化制備——這意味著能夠?qū)崿F(xiàn)人工蛛絲從實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵跨越。
這些特性使該材料在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力：在軟機(jī)器人領(lǐng)域，可作為高功率人工肌肉驅(qū)動精密運(yùn)動。“人體肌肉束是由‘一絲一絲’的結(jié)構(gòu)組成的，如果我們能批量生產(chǎn)這種蜘蛛絲纖維，把它們也做成束狀，每一根纖維的恢復(fù)應(yīng)力就很高，成束后應(yīng)力會更高。從仿生角度看，這種束狀結(jié)構(gòu)可以模仿肌肉束，憑借‘形變后快速恢復(fù)’和‘高恢復(fù)應(yīng)力’的特點，具備更強(qiáng)的運(yùn)動能力。”劉偉表示，另外，這種纖維韌性高、質(zhì)地柔軟，還能打結(jié)，如果應(yīng)用到機(jī)器人中，可以植入小型精密器件，代替人體關(guān)節(jié)處的肌肉，作為醫(yī)學(xué)材料替代方案。
而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該材料有望用于可降解縫合線、組織工程支架等生物相容性器件。目前，該團(tuán)隊正在進(jìn)行應(yīng)用嘗試，將這種纖維作為醫(yī)用縫合線，用于小鼠胃部手術(shù)。“這種纖維是純蛋白材質(zhì)，降解產(chǎn)物無毒，降解速度也能和人體愈合速度平衡，對人體的免疫刺激性更低。”栗敏表示，同時，該材料在智能紡織領(lǐng)域，能開發(fā)出濕度響應(yīng)的自適應(yīng)面料；在柔性傳感器、智能驅(qū)動設(shè)備等新興領(lǐng)域也具有廣闊應(yīng)用前景。