人造蜘蛛腺紡出“自然絲”
微流控裝置
圖片來源：日本理化學(xué)研究所
科技日報北京1月23日電 （記者張佳欣）日本研究人員發(fā)明了一種設(shè)備，可紡出與自然產(chǎn)生的蛛絲非常接近的人造蜘蛛絲。人造絲腺能模仿蜘蛛絲腺中自然發(fā)生的各種化學(xué)和物理變化，重建絲的復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)。這項研究由日本理研可持續(xù)資源科學(xué)中心和理研先鋒研究集群的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。
天然蜘蛛絲以其強度高、韌性好、重量輕而聞名，其抗拉強度可與相同直徑的鋼材相媲美。此外，它具有生物相容性。蜘蛛絲是一種生物聚合物纖維，由具有高度重復(fù)序列的大蛋白（蛛絲蛋白）制成。在蜘蛛絲纖維內(nèi)部，有一種被稱為β-片層的分子亞結(jié)構(gòu)，它必須正確排列，才能使絲纖維具有獨特的機械性能。多年來，重建這種復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)一直困擾著科學(xué)家。
蜘蛛的絲腺就像是一種天然的微流控裝置。研究人員試圖用微流控來模擬天然蜘蛛絲的產(chǎn)生，開發(fā)出一種外觀像矩形盒子的設(shè)備，里面有微小的溝槽。他們先將前體蛛絲蛋白溶液放置在一端，然后通過負壓將其拉向另一端。當蛛絲蛋白溶液經(jīng)過微流控通道時，它們暴露在化學(xué)和物理環(huán)境的精確變化中。在正確的條件下，蛋白質(zhì)自組裝成絲纖維，且具備特有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
研究人員通過實驗找到了這些正確的條件，最終能夠優(yōu)化微流控系統(tǒng)不同區(qū)域之間的相互作用。他們還發(fā)現(xiàn)，只有當使用負壓拉動蛛絲蛋白溶液時，才能組裝出具有正確β-片層排列的連續(xù)絲纖維。
研究人員指出，這項成果不僅可幫助減少目前紡織制造業(yè)對環(huán)境的負面影響，而且蜘蛛絲的生物可降解性和生物兼容性使其成為縫合線和人工韌帶等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想材料。
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