蠶“吐”蛛絲比防彈衣纖維堅韌6倍！中國科學家新理論醞釀超級材料

·開創了兩個新理論，首次界定了材料強度與材料韌性的本質，有望指導大量高性能材料的設計和改良。可以作為設計能夠建造太空電梯的材料的指導原則。

·全球首個完整全長的蛛絲蛋白纖維。有助於蛛絲的大規模商業化。

轉基因蠶生產的蛛絲蛋白纖維。

“石器時代、青銅時代、鐵器時代……人類的整個文明史幾乎可以用材料來劃分、命名。”9月20日，位於上海市鬆江區的東華大學生物與醫學工程學院博士研究生、論文第一作者米俊鵬告訴澎湃科技。

如何設計一種兼具高強度和高韌性的超級材料？比如用於建造太空電梯？

米俊鵬表示，此前人們以為“魚和熊掌不可兼得”。但在最新發表的論文中，他首次探究並界定了材料強度與材料韌性的“本質”，並開創了兩個新理論——INCBED理論和ASM INCBED理論。前者被稱為“分子間非共價鍵能密度理論”，被用於描述材料強度的本質。後者被稱為“平均單分子間非共價鍵能密度理論”，被用於描述材料韌性的本質。而這一研究成果有望指導大量高性能材料的設計和改良。

東華大學鬆江校區。

“可以作為設計能夠建造太空電梯的材料的指導原則，有效地將超高強度和超強韌性結合起來。”20日23時，前述在線發表在細胞出版社（CellPress）旗下國際期刊《物質》（Matter）上論文稱。

該論文的標題是《用轉基因家蠶紡製的高強度、超韌性全蜘蛛絲纖維》（High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms）。東華大學生物與醫學工程學院孟清教授和西南大學教授夏慶友是該論文的通訊作者。

米俊鵬等人還以前述理論為指導，對強韌輕巧的蜘蛛絲進行研究和改良，讓蠶吐出比防彈背心纖維韌性更高的蜘蛛絲。

“我們生產出了全球首個完整全長的蛛絲蛋白纖維。”米俊鵬說。

研究結果顯示，這些由家蠶“吐出”的蜘蛛絲蛋白纖維表現出驚人的拉伸強度——達1299兆帕，和驚人的韌性——達319兆焦耳/立方米。其韌性比美國杜邦公司研發、可用於製作防彈衣的凱夫拉縴維的韌性高6倍。

蛛絲纖維重量很輕，又具有極高的機械性能，在軍工、醫療等領域都有應用前景。而養蠶、收集蠶繭、繅絲等已是相對成熟的商業體系。讓蠶“吐出”蛛絲，有助於實現其大規模商業化。

此前有美國公司稱，用蠶合成蛛絲蛋白纖維，並獲得其國防部門的支持，但對其技術及細節秘而不宣。

科學家們認為蜘蛛絲是合成纖維的有前景的可持續替代品。合成纖維會向環境中釋放有害的微塑料，而且通常是由產生溫室氣體排放的化石燃料生產的。之前開發的人造蛛絲工藝需要在蛛絲表面塗上一層糖蛋白和脂質，以幫助它抵禦潮濕和日照——類似於蜘蛛在其蛛絲上塗的一層抗衰老的“皮膚層”。

而蠶為這個問題提供了一個解決方案，因為蠶也會在自己的蠶絲纖維上包裹一層類似的保護層。

為了讓蠶“吐出”蛛絲，米俊鵬等研究人員將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，利用CRISPR-Cas9基因編輯技術和數十萬次微量注射到受精卵中的方法，在蠶的腺體中表達蛛絲蛋白。米俊鵬說，在這項研究中，顯微注射是最重大的挑戰之一，但當看到蠶的眼睛在螢光顯微鏡下發出紅光時——這是基因編輯成功的標誌——他欣喜若狂。

“我手舞足蹈跑到孟清教授的辦公室分享這個結果。我還清楚地記得那個晚上，我興奮地睡不著覺。”米俊鵬說。

米俊鵬透露，人類等生物體內只有20多種氨基酸，而一百多種工程氨基酸的引入，能為工程蛛絲纖維提供無限潛力。目前他正在瞄準研發2.0版本、3.0版本的改良後的蛛絲。

相關論文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238523004216?dgcid=coauthor#appsec2