蚕“吐”蛛丝比防弹衣纤维坚韧6倍！中国科学家新理论酝酿超级材料

·开创了两个新理论，首次界定了材料强度与材料韧性的本质，有望指导大量高性能材料的设计和改良。可以作为设计能够建造太空电梯的材料的指导原则。

·全球首个完整全长的蜘蛛丝蛋白纤维。有助于蛛丝的大规模商业化。

转基因蚕生产的蜘蛛丝蛋白纤维。

“石器时代、青铜时代、铁器时代……人类的整个文明史几乎可以用材料来划分、命名。”9月20日，位于上海市松江区的东华大学生物与医学工程学院博士研究生、论文第一作者米俊鹏告诉澎湃科技。

如何设计一种兼具高强度和高韧性的超级材料？比如用于建造太空电梯？

米俊鹏表示，此前人们以为“鱼和熊掌不可兼得”。但在最新发表的论文中，他首次探究并界定了材料强度与材料韧性的“本质”，并开创了两个新理论——INCBED理论和ASM INCBED理论。前者被称为“分子间非共价键能密度理论”，被用于描述材料强度的本质。后者被称为“平均单分子间非共价键能密度理论”，被用于描述材料韧性的本质。而这一研究成果有望指导大量高性能材料的设计和改良。

东华大学松江校区。

“可以作为设计能够建造太空电梯的材料的指导原则，有效地将超高强度和超强韧性结合起来。”20日23时，前述在线发表在细胞出版社（Cell Press）旗下国际期刊《物质》（Matter）上论文称。

该论文的标题是《用转基因家蚕纺制的高强度、超韧性全蛛丝纤维》（High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms）。东华大学生物与医学工程学院孟清教授和西南大学夏庆友教授是该论文的通讯作者。

米俊鹏等人还以前述理论为指导，对强韧轻巧的蜘蛛丝蛋白纤维（简称“蛛丝纤维”）进行研究和改良，让蚕吐出比防弹背心纤维韧性更高的蛛丝。

“我们生产出了全球首个完整全长的蜘蛛丝蛋白纤维。”米俊鹏说。

研究结果显示，这些由家蚕“吐出”的蛛丝纤维表现出惊人的拉伸强度——达1299兆帕，和惊人的韧性——达319兆焦耳/立方米。其韧性比美国杜邦公司研发、可用于制作防弹衣的凯夫拉纤维的韧性高6倍。

蛛丝纤维重量很轻，又具有极高的机械性能，在军工、医疗等领域都有应用前景。而养蚕、收集蚕茧、缫丝等已是相对成熟的商业体系。让蚕“吐出”蛛丝，有助于实现其大规模商业化。

此前有美国公司称，用蚕合成蛛丝纤维，并获得其国防部门的支持，但对其技术及细节秘而不宣。

科学家们认为蛛丝是合成纤维的有前景的可持续替代品。合成纤维会向环境中释放有害的微塑料，而且通常是由产生温室气体排放的化石燃料生产的。之前开发的人造蛛丝工艺需要在蛛丝表面涂上一层糖蛋白和脂质，以帮助它抵御潮湿和日照——类似于蜘蛛在其蛛丝上涂的一层抗衰老的“涂层”。

而蚕为这个问题提供了一个解决方案，因为蚕也会在自己的蚕丝纤维上包裹一层类似的保护层。

家蚕的丝腺。 米俊鹏 图

为了让蚕“吐出”蛛丝，米俊鹏等研究人员将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术和数十万次微量注射到受精卵中的方法，在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。米俊鹏说，在这项研究中，显微注射是最重大的挑战之一，但当看到蚕的眼睛在荧光显微镜下发出红光时——这是基因编辑成功的标志——他欣喜若狂。

 “我手舞足蹈跑到孟清教授的办公室分享这个结果。我还清楚地记得那个晚上，我兴奋地睡不着觉。”米俊鹏说。

米俊鹏透露，人类等生物体内只有20多种氨基酸，而一百多种工程氨基酸的引入，能为工程蛛丝纤维提供无限潜力。目前他正在瞄准研发2.0版本、3.0版本的改良后的蛛丝纤维。

相关论文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238523004216?dgcid=coauthor#appsec2