正如一些研究人员所想像的那样，如果蜘蛛是群居的素食动物，那么我们今天的世界也许将会是一个完全不同的样子。蜘蛛是大自然中的纺丝能手，在数百万年以上的进化过程中，它们所吐出的丝对人类有着众多的用途，从带粘性的牙膏到坚固而有弹性的牵引绳索。
“我们谈论的并不仅仅只是某一种材料，”从事蜘蛛丝进化遗传学研究的生物学家、加州大学的谢丽尔·哈亚希（Cheryl Hayashi）说，“自然界已经有了许多解决的方案，想要胶水吗？某种粘性极强的蜘蛛丝就是一种天然胶水。”
建立丝素材料的“牧场”
多年来人们一直在谈论蜘蛛丝的光明前景，例如，它可能有一天被用来做成比金属材料更坚固的电缆，做成比凯夫拉尔纤维效果更好的防弹背心等等。然而，美中不足的是，蜘蛛无法“纺织”出足够多的丝质材料。一般来说，虽然一只蜘蛛能吐出五种不同类型的蜘蛛丝，但每一种的数量都不会太多，要获得商业化用途的大量蜘蛛丝实际上是不可能的。蜘蛛是一种性情孤独、特立独行的物种，它需要活的昆虫作为食物，有些蜘蛛甚至还是同类相食的生物。换言之，想要建立某种形式的蜘蛛牧场是不可能的。
将水状丝素溶液灌滴在蜡模中制成“丝管”，这种“丝管”拥有多种组织工程学上的应用，如用于血管移植和神经导管等
研究人员一直试图通过破解蜘蛛成丝能力的奥秘，以便能在实验室中制造出蜘蛛丝样的物质，或通过基因转移技术，将蜘蛛的这种能力转移到其他拥有“量产能力”的生物体中。但到目前为止，所研究制造出来的材料都无法像真正的蜘蛛丝那样，拥有足够的强度和弹性等特质。为此，一些科学家正在采取一些迂回的方式来解决这个问题，如重新发明一种能够量产的丝，或重组产生有着多种潜在用途的蚕丝。所有这些，其应用前景将远远超越用丝素材料制造理想防弹背心的梦想。
美国塔夫茨大学的大卫·卡普兰（David Kaplan）等研究人员目前正在对蚕丝进行研究，旨在开发出在医药或其他领域内拥有许多潜在应用的新颖丝素材料。例如，卡普兰博士领导的研究小组最近与伊利诺伊州立大学和宾夕法尼亚大学的同事制作的电极阵列，可印刷在柔软且可降解的丝素薄膜上，这种电极阵列极薄，可与大脑表面的沟壑缝隙严丝合缝地吻合起来。也许有一天，这种电极阵列可被用来治疗癫痫等疾病，而不用担心要植入体积较大的电极而产生疤痕等缺憾。
几个世纪以来，源自于中国的桑蚕养殖形成的商业化丝绸产业与蜘蛛吐丝不同的是，桑蚕可以大规模养殖，只需给它们提供足够的桑叶，它们就只管咀嚼食物，然后为人类辛勤吐丝，大量的蚕丝给人们带来足够的收获。“桑蚕的优点是好养殖，”哈亚希博士说，“而且它们是素食动物，成茧吐丝的过程也极为便利。”
“但如果你仔细地观察一下，就可以发现，蚕只有一种类型的‘喷丝头’，”她补充道，“蚕吐出的只有一种类型的纤维，而蜘蛛不同，它拥有整套的‘工具箱’。”
丝素材料的生物学机制
英国谢菲尔德大学的科学家大卫·波特（David Porter）指出，制造类似于蜘蛛丝的物质的种种努力，最后产生的却都是与其他聚合物没有多大区别的东西。波特与牛津大学的一个研究小组合作研究的课题是丝素材料的生物学机制。“科学界的一个共识就是，几乎任何人都可以制造出不错的丝素材料，”波特博士说，“但它们实际上与性能优良的尼龙没有多大区别。”
自然界的丝素材料是一种纤维状蛋白质，在蜘蛛、桑蚕或其他一些昆虫的腺体内产生。这些动物所做的是世界上没有一个实验室能够做到的，它们对化学机制的掌控是如此精妙，它们的丝素材料在体内是一种液体，而在离开有机体之后就成了固体。
天然丝素材料最主要的优势是其蛋白质的组织方式，它们以复杂的方式折叠起来，每种类型的丝都有其独特的性能，而科学家至今为止也无法模仿复制出这种复杂的折叠方式。“我们仍然无法探索到一只蜘蛛体内发生的复杂过程，”哈亚希说，“世界上任何地区的实验室里，都不存在这样的人造丝腺体。”
近年来，研究人员开始尝试在其他生物体内生产蜘蛛丝蛋白，如细菌、山羊和植物，以及经过基因工程改造的蚕，但这种方法仍然有其局限性，因为在重建蛋白质的过程会破坏其折叠模式。“只要你将丝提取出来，基本上就打乱了它的蛋白质结构，也就破坏了我们想要的产生这种材料的能力，”波特说道。
在卡普兰看来，转基因植物最终能够产生这种有用的类蜘蛛丝的产物，并可以像收获棉花那样地获得它们。但在此之前，他的努力方向是对蚕丝进行重塑再造，制作出新型的丝素薄膜材料和其他材料。
卡普兰至今已对天然丝素材料进行了21年的研究，在最初的十年里，他一直在研究其成丝过程的基本机制。“我们知道水在其中起的作用是多么的重要，”他说，“这听起来似乎是小事，但整个成丝过程却是建立在对含水量的精妙控制之上的。”
塔夫茨大学的研究人员对蚕丝结构进行重塑，他们将蚕茧煮沸，然后提取其蛋白质成为一种新型材料，这种新型材料在医药等领域内都拥有良好的应用潜力
丝素薄膜的医学用途
而在最近的十年中，卡普兰的研究小组则致力于人造丝素材料在生物医学的应用上，如组织工程学领域。2005年，卡普兰实验室的一位博士后研究人员开发出一种水淬热处理工艺：在潮湿的环境中缓慢地进行人造丝素材料的重塑过程。“我们获得了完全透明的薄膜，”卡普兰说，“从没有人用丝素材料做到过这一点。”
这一成果令卡普兰有了一个新的设想，用人造丝制造人工角膜，但角膜要有可渗透性，为此卡普兰与激光科学家菲奥伦佐·奥梅尼托（Fiorenzo Omenetto）进行了长期的合作。迄今，奥梅尼托已开发出了制造各种丝素薄膜的方式，包括衍射光栅和其他结构。衍射光栅可以作为其他蛋白质或化合物的培养基，通过丝素薄膜在体内溶解的可控速率来安全有效地释放药物，以提高丝素薄膜用于植入式生物传感器或药物传递系统的可能性。
奥梅尼托博士说，丝素材料的一个优点是，制造薄膜或其他结构的材料的过程是完全“绿色环保”的，以水为基础，且是低温操作。“你可以用玻璃或塑料制造质量超佳的衍射光栅，”他说，“但它们必须在高温条件下或处于极为苛刻的化学环境中制造出来”。由于这些限制条件的存在，很难将其与药物或其他化合物结合在一起开发各种用途。
研究人员在对蚕丝重塑再造，以期可以像收获棉花那样地获取它们
其他地区的一些研究人员进一步开发了丝素薄膜在医学上的用途，美国乔治亚技术研究所的尤金妮亚·卡尔拉姆皮瓦（Eugenia Kharlampieva）尝试在丝素薄膜上布置镀银纳米粒子，以起到提高强度的作用。“由于其生物相容性，丝素材料是一种非常美妙的材料，”卡尔拉姆皮瓦博士说，“但其主要的缺点是太软，若想应用于光学领域，就必须对它进行强化处理。”
卡尔拉姆皮瓦使用的是非常薄的薄膜，“我们的这个纳米复合材料是柔性的，尽管非常软，但它的机械强度却更强了。”因为这种丝素薄膜仍然保持了其柔性，卡尔拉姆皮瓦正在试验将它们塑造成可含极少量药物的微型胶囊，甚至可以小到如血液细胞般大小，以便顺畅地通过血液循环系统来传递药物。
奥梅尼托目前在研究开发丝素材料更为奇特的应用潜力，如最近与波士顿大学的同事合作开发以丝素材料为基础的超材料，并以通常难以做到的方式来操纵光或其他电磁辐射。通过丝素薄膜中的复杂结构，或在丝素薄膜上布置金属粒子所制造出来的超材料天线，可用于在人体内监测健康状况，或通过体内的天线信号来传递体内状况的变化。
这样的应用可能将为期不远了，奥梅尼托博士认为丝素材料的应用潜力是极为巨大的。
资料来源 The New York Times
责任编辑 则 鸣