古老丝材料书写新传奇

时间:2020-09-09 栏目:科学24小时

张唯诚

许多动物都产丝,如有些贻贝靠丝附着在岩石上,蜘蛛则用丝网诱捕猎物。但对人类最有用的丝来自于人们常说的蚕。蚕是家养蚕蛾的幼虫,在成蛹前会结茧,这种茧是桑蚕蛹期的保护壳,是由数百米长的丝纤维织成的。

利用蚕丝是华夏文明的伟大创造,我国劳动人民在将近5000年前就开始把蚕丝纺成线,织成简单的丝织品,从而创造了灿烂的丝绸文明。但在大自然中,蚕丝并不是最坚韧的,有些动物的丝远比蚕丝结实,例如蜘蛛丝。在好莱坞科幻影片《蜘蛛侠》中,男主角依仗蛛丝飞檐走壁,穿行于建筑物之间。虽然影片渲染的场景极尽夸张,但却形象地把蛛丝的优良特性表现得淋漓尽致。原来蛛丝的强度是钢的20倍,且极具柔韧性,即使拉长50%也不易断开。它又极轻,其重量只有人类发丝的十分之一。

然而与蚕丝相比,蛛丝也有不尽人意的地方。蜘蛛的吐丝量很少,又不是群居动物,要大量获得蛛丝极为不易。在这方面,蚕极大地优于蜘蛛,蚕不仅能吐丝结茧,也能大量饲养,加之蚕丝的坚韧度也不差,所以倍受人们的青睐。

如今,人们越来越重视丝材料,尤其是蚕丝和蛛丝。人们想方设法地利用它们,这在医疗领域里最为引人注目。由于它们是天然材料,对它们过敏的人并不多,因而使用丝制的植入物相对来说是比较安全的,且可以免除术后移除。此外,干细胞能很好地在丝材料中生长繁殖。这种细胞有形成不同器官和组织的能力,能引导生物体生长出缺损的组织来。所以从理论上说,用丝材料制作供干细胞生长的模型非常理想。

动物丝看上去是一种纤维,其实是一种蛋白质。在蚕和蜘蛛的肚子中,丝原本是一种粘稠的胶状物,吐出来后就变成了丝。令人惊讶的是,这些小动物的“产品”在性能上远超人类文明的创造,工业化产品远远无法与它们媲美。

目前,有一种方法被称为“重组”,其目的是用人工的方法制造出种类不同的“人造丝绸”。例如,研究者先将蚕茧煮沸,除去丝胶,把纤维还原成溶液。接下来,将“溶液”重新变成“丝”、“丝绸”,或者类似“海绵”或“泡沫”的东西。这种操作对蚕丝和蛛丝都适用,通过这种人工方法得到的新材料在未来的医学、生物学和光学等诸多领域里拥有巨大的应用价值。

戴维·卡普兰是美国马萨诸塞州塔夫茨大学的生物医学工程师,他和同事们通过艰苦的实验获得了一种利用蚕丝制造医用植入物的方法。他们将丝胶从丝纤维中去除,将得到的丝蛋白溶解后加以冷冻,然后磨成直径为30纳米到1微米之间的粉末。

戴维·卡普兰和他的研究团队发现,可以通过压塑成型的方法把这些粉末制造成非常坚固的部件,这些部件在超过6400千克/平方厘米的高压下成型,其结实的程度甚至优于木材。戴维·卡普兰指出,许多不同种类的医用植入物都可以用粉末状的蚕丝制成,包括用于固定骨折的螺钉,用于从受感染的耳朵里排除积液的小管道等。工程师们甚至可以在部件中添加酶,以确保它们在人体内自然降解,这样就不用术后移除了。

任何可以在体内使用而不造成伤害的材料,都被科学家们描述为具有“生物相容性”。而蚕丝具有的生物相容性使它们还具有其他的优势,比如在压塑成型的植入物中添加抗生素或者抗癌药物。这些药物会随着时间的推移从植入物中慢慢释放,这样,患者就不需要频繁地打针吃药了。

同样地,作为一种新型的材料,合成的蛛丝也在医学上极具前景。蛛丝可以成为很好的缝合线、人工韧带和眼角膜等。由于具备良好的可降解性,它们也可用于制作供干细胞生长的模型。在未来,合成的蛛丝材料還可以被用于制造汽车、飞机、防弹衣、滑翔翼、传感器、各种磁性和导电元件等。合成蛛丝的应用前景一定会越来越广阔。

当然,人们还有其他开发丝材料的方法。例如,利用遗传工程学的方法将蜘蛛蛋白移植到蚕基因上,使蚕吐出具有蛛丝特性的丝,从而解决蛛丝产量少的难题。又有人曾尝试将蛛丝蛋白移植到能够大面积种植的土豆上来获取成本较低的丝蛋白。

我们有理由相信,丝材料将成为未来材料大家族中的新宠,获得越来越广阔的应用前景。

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