人造蜘蛛腺纺出“自然丝”

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微流控装置
图片来源：日本理化学研究所

科技日报北京1月23日电 （记者张佳欣）日本研究人员发明了一种设备，可纺出与自然产生的蛛丝非常接近的人造蜘蛛丝。人造丝腺能模仿蜘蛛丝腺中自然发生的各种化学和物理变化，重建丝的复杂分子结构。这项研究由日本理研可持续资源科学中心和理研先锋研究集群的科学家领导，相关论文发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。

天然蜘蛛丝以其强度高、韧性好、重量轻而闻名，其抗拉强度可与相同直径的钢材相媲美。此外，它具有生物相容性。蜘蛛丝是一种生物聚合物纤维，由具有高度重复序列的大蛋白（蛛丝蛋白）制成。在蜘蛛丝纤维内部，有一种被称为β-片层的分子亚结构，它必须正确排列，才能使丝纤维具有独特的机械性能。多年来，重建这种复杂的分子结构一直困扰着科学家。

蜘蛛的丝腺就像是一种天然的微流控装置。研究人员试图用微流控来模拟天然蜘蛛丝的产生，开发出一种外观像矩形盒子的设备，里面有微小的沟槽。他们先将前体蛛丝蛋白溶液放置在一端，然后通过负压将其拉向另一端。当蛛丝蛋白溶液经过微流控通道时，它们暴露在化学和物理环境的精确变化中。在正确的条件下，蛋白质自组装成丝纤维，且具备特有的复杂结构。

研究人员通过实验找到了这些正确的条件，最终能够优化微流控系统不同区域之间的相互作用。他们还发现，只有当使用负压拉动蛛丝蛋白溶液时，才能组装出具有正确β-片层排列的连续丝纤维。

研究人员指出，这项成果不仅可帮助减少目前纺织制造业对环境的负面影响，而且蜘蛛丝的生物可降解性和生物兼容性使其成为缝合线和人工韧带等生物医学应用的理想材料。