◎本报记者 陈曦
天然蜘蛛网上有两种蜘蛛丝。 一种是与高级合金钢抗拉强度相同的蜘蛛丝，即蜘蛛网上的经线，具有很高的韧性。 另一种是粘性丝，即蜘蛛网中的纬线，用于捕获猎物。
南开大学教授刘尊峰，中国科学院院士、东华大学教授朱美芳，中国药科大学副教授周翔研发出皮质上具有类皮肤褶皱结构的人造蜘蛛丝，强度为 1.61 吉帕斯卡。 其韧性达到466MJ/m3，超过了自然界最强的达尔文树皮蜘蛛的蛛丝。 联合团队还开发了仿生粘性人造蜘蛛丝，其强度和韧性超越了天然粘性蜘蛛丝。 人造蜘蛛丝还可以传输电信号，表现出类似神经元的功能，有望应用于神经修复、植入电极、人机交互等方面。这两项成果近日发表在国际期刊 上。
最强人造蜘蛛丝世界纪录
长期以来，制备人造蜘蛛丝的常用方法是利用蛛丝蛋白或重组蛋白进行纺丝，但其力学性能与天然蜘蛛丝相差甚远。 “这是因为天然蜘蛛丝经过亿万年的进化，形成了精细而独特的微纳多尺度结构。” 刘尊峰介绍，目前世界上报道的强度最高的天然蜘蛛丝是达尔文在马达加斯加发现的。 树皮蜘蛛的蛛丝强度为1.6吉帕斯卡，韧性为350兆焦/立方米。
刘尊峰团队创新性地提出采用独特的凝胶纺丝方法制备人造蜘蛛丝。 近年来取得了一系列突破，人造蜘蛛丝的性能不断被推向新的高度。 例如，刘尊峰团队提出了凝胶拉伸纺丝方法，制备了捻核壳结构的人造蜘蛛丝，强度为0.9 GPa，韧性为370 MJ/m3。
受自然界材料取向的启发生活网资讯，联合团队开发了一种表面具有类似皮肤褶皱结构的人造蜘蛛丝。 刘尊峰解释说，很多材料（分子链、纳米纤维等在一个方向平行排列）的取向并不均匀，如树木、皮肤、牙齿等，其芯层和表面的取向方向是不均匀的。层彼此垂直。 这有利于抵抗来自垂直方向的冲击，同时提高水平方向的强度，使这种结构的材料更加坚固。 类皮皱纹结构是将平行结构制成皱纹形状，以提高不同方向的抗冲击能力，使这种人造蜘蛛丝的强度可以达到1.61 GPa，韧性可以达到466 MJ/m3。
仿生粘合人造蜘蛛丝可传输生物电信号
受生物体中神经元传递的启发，科学家致力于开发人造神经纤维和器件，并将其应用于柔性电子、智能设备和神经状态计算机等领域。
蜘蛛的粘丝具有高强度、高韧性以及高粘合性。 通过模仿粘性蜘蛛丝的分子结构和纺丝工艺，开发出各种具有优异力学性能的水凝胶纤维。 下一步，将粘附性和离子传导性引入水凝胶纤维中，人们可能会开发出具有优异粘附性、机械强度和信号传输功能的人工神经纤维。
“然而，要实现机械性能和电性能的良好结合，主要挑战在于如何在连续纺丝的基础上调整人造纤维分子的相互作用和层次结构。” 朱美芳介绍。
联合团队基于PrDA水凝胶纤维开发了一种用于生物电信号传输的纺粘导电人造蜘蛛丝材料。 人造蜘蛛丝的两性离子聚合物链之间的静电相互作用确保了人造蜘蛛丝优异的拉伸和纺丝能力、机械性能以及对不同类型表面的粘附性能。 同时，人造蜘蛛丝表现出良好的离子导电性，是捕获人体生物电信号并将其传输至检测仪器的理想界面材料。 此外，人工蜘蛛丝用于构建人工突触晶体管，可以实现伪神经信号的可控调节。 未来可应用于生物电极、脑机接口、可穿戴电子设备、神经态计算机等领域。
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