Study of Spider Silk Fibers by Raman Microscopy

Spider silk fibers of species of the genera Araneus, Gasteracantha, and Linothele sericata were studied. The fibers are composed of axial threads and lateral villi, allowing adhesion to surfaces. Raman spectroscopy was used to determine the surface and internal composition of the threads forming the structure. In the three species, the characteristic amino acid peaks of the spider web were found between 2871 and 2975 cm-1, which belong to L-glycine, L-alanine, L-glutamine, and L-proline. The threads are composed of a protective layer mainly composed of amides, alanine, and glycine. The fibrils surrounding the axial fibers consist mainly of amide II (1533 cm-1), which allows adhesion between the thread and the surfaces onto which the spider weaves the web. For the genus Linothele sericata, there is a peak on the surface of this spider web located at 2145 cm-1, which is associated with isonitriles with R-N-C bonds.

蜘蛛丝蛋白纤维的研究进展

蜘蛛丝是一种具有卓越力学性能和生物相容性的天然材料,近年来在医学、纺织、航空、军事等领域得到了广泛的应用。本文首先介绍了蜘蛛丝蛋白的基本结构与性质,然后梳理了目前合成蜘蛛丝纤维的主要方法,包括遗传工程、溶剂纺丝和湿法纺丝等。在此基础上,分析了现有研究中存在的问题及挑战,并展望了未来研究方向。

在大肠杆菌中表达蜘蛛拖丝融合蛋白

蜘蛛丝凭借其优良的理化性质倍受人们青睐 ,但是蜘蛛本身难以高密度养殖给应用造成巨大的障碍。由此利用基因工程的手段来开发利用蜘蛛拖丝蛋白目前成为各国研究的热点。以往的研究表明 ,不同的编码蛛丝蛋白的cDNA片段在表达中的稳定性各不相同。在应用中存在适宜片段的筛选问题。本文从该角度出发 ,首次建立了从Ara neusdiadematu克隆的拖丝蛋白基因ADF3与GST融合产物的稳定原核表达系统。为今后进一步开发利用蜘蛛拖丝蛋白的研究奠定了基础。

蜘蛛丝/PLLA复合纳米级纤维纱的纺制及其细胞增殖性

蜘蛛丝和聚乳酸都是良好的生物医用材料,以质量分数分别为1%和9%的蜘蛛丝和聚-L-乳酸的混合液为纺丝溶液,通过改进型静电纺丝方法,制备了由定向排列的蜘蛛丝蛋白/聚-L-乳酸复合纳米纤维构成的连续纱线。探讨了蜘蛛丝蛋白含量对纤维直径、纱线线密度及力学性能等的影响,以及纱线的尺寸稳定性和细胞增殖性。研究发现:随着蜘蛛丝蛋白含量的增加,纤维直径从纯PLLA时的1.1μm减小到382nm(含蜘蛛丝蛋白10%),蜘蛛丝蛋白含量4.5%时,纱线强度达到最大值;该纱线在水中尺寸稳定;静电纺PLLA和蜘蛛丝/PLLA复合纤维毡对成纤维细胞具有良好的增殖性,含蜘蛛丝蛋白时,纤维的OD值明显升高。

仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料

采用仿生学原理,设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域.天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维,具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高),为自然界产生最好的结构和功能材料之一,它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景.受自然界蜘蛛丝启发,天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇,同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法.本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展,并提出了一些看法和思考.

双层蛛丝蛋白血管支架的体外降解研究

血管支架的制备成为治疗心血管疾病的必需条件。应用静电纺丝技术制备了(pNSR16/PCL/CS)/(pNSR16/PCL/Gt)双层血管支架,并研究其在磷酸盐缓冲液(pH值=7.4)和多酶降解液中浸泡不同时间的体外降解情况。于2、4、8、12周分别取材,测试失重率、吸水率、降解液的pH值、力学性能和分子量的变化,并进行扫描电镜观察。结果表明,(pNSR16/PCL/CS)/(pNSR16/PCL/Gt)双层血管支架的初始抗弯强度和初始分子量大于(PCL/CS)/(PCL/Gt)支架,并且前者的降解速度、分子量和失重率减少速度快于后者,pNSR16的添加促进了血管支架的降解。在降解过程中,浸泡液pH值呈弱酸性和中性,前期迅速降低并在后期呈现稳定的趋势。支架在酶解液中的降解速度快于在水解液中。

两种不同类属蜘蛛丝的溶解性能及其静电纺再生纤维

本文主要探讨了大腹园蛛与虎纹捕鸟蛛丝在不同溶剂里的溶解情况,及其再生丝蛋白溶液静电纺纤维的形态结构与分子构象。结果表明,大腹园蛛丝的溶解率明显高于虎纹捕鸟蛛丝,这是它们的结晶度和氨基酸组成的差异造成的。以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂时,再生大腹园蛛丝(AVSH)、再生大腹园蛛丝蛋白凝胶(AVGH)以及虎纹捕鸟蛛丝(OHSH)溶液的静电纺纤维直径的大小依次是AVSH<OHSH<AVGH,而以甲酸和HFIP为混合溶剂时,再生大腹园蛛丝蛋白溶液(AVSHF)的静电纺纤维直径又小于AVSH,且比后者要均匀得多。红外光谱的测定结果表明,AVGH静电纺纤维中β-折叠分子构象的含量少于AVSH纤维,溶剂对再生蛛丝蛋白静电纺纤维的分子构象无显著影响。

蜘蛛丝/聚-L-乳酸静电纺纤维束的形貌和力学性能

以1%(质量分数,下同)蜘蛛丝和9%聚-L-乳酸(PLLA)的混合液为纺丝溶液,采用静电纺丝方法制备了蜘蛛丝/PLLA复合纤维构成的连续纱线。探讨了纺丝温度、卷绕速度、后拉伸倍数等对纤维和纱线的形态结构及力学性能的影响。研究发现,加入蜘蛛丝蛋白后,PLLA复合纱线的强度提高了13%,纤维直径从1.1μm减小到了550nm;加热区温度为150℃时纱线强度最大;卷绕速度为(105±5)r/min时可以实现稳定纺丝;拉伸1.5倍时,纱线断裂强度和初始模量分别提高了66%和92%,断裂伸长率下降。

一种天然纳米纤维捕鸟蛛丝的物理化学结构表征

蜘蛛丝作为功能性结构材料, 其独特的纤维成型方法与优良的结构和性能引起许多人的关注. 从20世纪80年代开始有关蜘蛛丝的研究报道日益增加[1]. 与高温高压下或由溶剂纺丝成型的合成纤维相比, 蜘蛛丝在空气中凝固成型, 丝纤维成型安全、无害, 从腹部若干不同吐丝器产生不同种类的丝具有不同的用途[2]. 蜘蛛拖曳丝(dragline silk)的比强度大于钢丝, 且具有较大的断裂伸长率(9%～30%)[3,4], 抗张强度1.1～1.4 GPa. 在相对湿度50%和应变速率100%/min的条件下, 模量值可达10～50 GPa. 在所有已知纤维品种中, 蜘蛛丝的断裂能是最高的. 此外, 蜘蛛丝在许多方面的综合性能优于最优良的人造纤维. 另外, 蜘蛛丝的细度为已知纤度最小的天然有机纤维, 这种高性能丝具有捕捉昆虫甚至鸟类的功能, 因此蜘蛛丝是具有特异功能的天然纤维材料. 目前, 蜘蛛丝结构和性能的研究主要包括其化学组成[5]、结晶结构[6,7]、结构模型[8,9]以及其NMR表征[10]等, 这些研究揭示了蜘蛛丝的氨基酸组成、分子量及其分布、结晶度、晶胞尺寸、链构象以及结构模型等. 这些研究主要集中在少数几种蜘蛛品种上, 如金色圆网织网蛛(Nephila clavipes)、十字圆蛛(A.diadematus)和大腹圆蛛(A.ventrocosus)等. 目前, 已知的蜘蛛种类大于30 000种[11], 以蜘蛛丝为例的生物大分子材料研究是一个挑战性的课题. 国内蜘蛛丝的研究仅有大腹圆蛛拖曳丝蛋白一级结构的研究报道[12,13]. 本文报道了广西捕鸟蛛丝的红外光谱、形貌结构和原子力显微镜的初步研究结果.

新型动物蛋白纤维的性能与应用

在分析牛奶蛋白纤维、蜘蛛丝、蚕蛹蛋白纤维的结构的基础上,着重研究了它们各自的优异性能,进而总结出适合它们独特性能的在各个领域的开发与应用。新型动物蛋白纤维能满足人们对服饰健康、环保、功能、时尚的追求,是新型的、有着广阔发展空间的纺织原料。

转基因技术与人造蜘蛛丝

介绍并分析了转基因技术在产业中的应用以及转基因蜘蛛丝的设计原理和开发现状。同时也介绍了转基因蜘蛛丝在纺织服装、医疗、军事。

人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的研究进展

蜘蛛丝因其优异的力学性能和良好的生物相容性,一直吸引着科学家的研究兴趣。但蜘蛛在大规模繁殖中互相残杀的特性导致其无法像蚕丝一样实现商业化生产,因此,研发人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维成为解决上述问题的有效方法。为更好地理解蜘蛛丝强韧的本质,综述了天然蜘蛛丝的结构,包括一级结构、β-折叠晶体网络(纳米纤维)结构及其形成过程。介绍了目前人造蜘蛛丝与仿蜘蛛丝纤维的制备进展,包括使用的多肽、非重组蜘蛛纤维蛋白、高分子材料和碳纳米管材料等,为下一步研究与规模化制备人造蜘蛛丝及仿蜘蛛丝纤维提供参考。

蜘蛛丝纤维的研究现状与展望

概述了近期国内外丝蛋白及纤维的合成及改性研究现状,发现人造蜘蛛丝蛋白主要来源于基因改变后的桑蚕、大肠杆菌等,对蜘蛛丝纤维物理力学性能的改性方法主要集中在蛛丝蛋白改性、纺丝方法转变、紫外辐射及与其他纺丝液复合纺丝等。通过蜘蛛丝纤维与其他纤维的物理性能比较得知,蜘蛛丝纤维断裂伸长率高(43.4%)、拉伸强力大、耐疲劳性好。同时,简述了蜘蛛丝纤维在复合材料、医用仿生材料以及纺织材料等领域的应用情况,并对蜘蛛丝纤维今后的发展进行了展望。

仿蛛丝纤维集水进展

水资源短缺已经是21世纪全球性的重大问题,如何解决水资源短缺问题迫在眉睫。清晨挂满硕大水滴的蜘蛛网为解决水资源短缺问题提供了一个良好的思路。全面总结了仿蛛丝纤维集水领域的研究进展,重点介绍了仿蛛丝纤维的常见制备方法,包括瑞利不稳定法、电动力学技术和微流控法,详细划分了各类制备方法的子类,并对每一种方法的制备步骤、原理和优缺点进行了详细介绍。同时,详细介绍了仿蛛丝纤维集水的主要原理,包括拉普拉斯压力差、表面能梯度、滞后效应、悬挂能力和交叉结构受力原理,为集水工程与技术的开发和改进提供了理论基础。另外,介绍了单根仿蛛丝纤维集水、纤维交叉结构集水和大规模集水等仿蛛丝微纤维的集水行为。最后,对仿蛛丝纤维集水的未来发展方向进行了分析和展望。将有助于全面了解仿蛛丝纤维的制备方法、集水机理及集水行为,对集水效率的提高、油水分离、材料界面、流体控制和功能材料等领域的发展起到促进作用。

仿生微纳米纤维黏附材料

自然界中功能与结构相统一的生物材料是人类社会创新的灵感源泉。在众多具有优异性能的生物材料中,具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维一直是仿生研究领域的热点之一。生物微纳米纤维黏附现象是自然界中存在的一类奇特的现象,众多具有特殊黏附性质和功能的生物微纳米纤维材料在生物运动、防御和猎物捕获等方面都具有重要的作用。生物微纳米纤维黏附主要包括纤维尖端的黏附和表面的黏附,如壁虎脚刚毛尖端的黏附和蜘蛛丝表面的黏附。研究表明生物微纳米纤维黏附作用主要来源于其特殊的微纳米结构和表面性质。受自然界中具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维启发,人们设计和开发了众多性能优异的仿生微纳米纤维黏附材料。微纳米纤维黏附材料在干态粘胶、高效集水和空气过滤等领域都具有重要的应用价值。本文综述了壁虎脚刚毛、蜘蛛丝等生物微纳米纤维的黏附机理及其相应仿生材料的研究进展,并对该领域未来的发展方向作了展望。