蜘蛛吐出的坚固而有弹性和黏性的丝激发了工程师的灵感，从而设计出了人造肌腱和角膜等先驱性的医疗产品。
天然蜘蛛丝（右）的一种仿生材料（左）结合了可以作为一种给药系统的聚合物滴
一只马达加斯加树皮蜘蛛把一根拖丝吐到空中，细丝被风吹到河的另一边，停在25米开外河对岸的树叶上。随后，这只达尔文树皮蜘蛛伸出桥线确定张力并加固，然后拉出一套所需的更具弹性或黏性的其他丝线，从而结成网捕获飞过水面的昆虫。
达尔文树皮蜘蛛的桥线是世界上已知最坚韧的生物材料――甚至比钢还要坚韧，但是达尔文树皮蜘蛛在制造不同种类的丝线方面的多才多艺却不独特。很多蜘蛛能吐出多种丝：紧绷的结构丝用来稳定它们的网；具有黏性和弹性的螺旋丝用来捕获飞虫；黏合垫用来锚定它们的网；还有非常牢固的拖丝用来悬挂。
这些天然纤维非凡的机械特性已经引起了材料科学家的关注。研究人员正从蜘蛛纲动物和其他吐丝动物身上寻找灵感，研究如何制造用于桥梁和车辆的新结构材料，用于爬壁机器人的抗污黏合剂，以及用于生物医疗器械的坚固的聚合物。许多丝集合了现有人造材料并不具备的特性――在蜘蛛丝上发现的超级坚韧性和弹性就是一个例子。丝蛋白能被制成塑料那样或是像硅一样具有光学功能，但因为它们是有机生物材料，所以丝是环保的、具有生物相容性的。丝蛋白能制成薄膜植入到体内，溶解后释放药物。这些特性组合是聚酯、胶原蛋白或其他任何材料都不具备的，美国塔夫茨大学的研究者大卫·卡普兰（David Kaplan）说，他是高科技生物医学丝的早期支持者，“人们对新的生物材料有明显的需求。”对卡普兰和其他人而言，丝是满足这种需求的最佳选择。
常见的丝
许多无脊椎动物，包括蜘蛛、蜜蜂和蚕，都独立进化出了丝。单个的蜘蛛能制造多达６种不同的丝蛋白（和两种胶蛋白），每种丝蛋白随着这些动物的进化，已经有4亿多年的自然进化史。每个蜘蛛物种用它们自己的这些蛋白质变体制造不同类型的丝。
“我们认为一只原始的蜘蛛具有一种丝，而在基因复制和演变的过程中会发生很多事件。”加州大学河滨分校的蜘蛛专家谢丽尔·林（Cheryl Hayashi）说。那些与原始的蜘蛛祖先更接近的蜘蛛物种，比如狼蛛和螲蟷，吐出的丝设计简单――例如，用种类更少的丝结成杂乱的缠结来捕获在蜘蛛网上爬行的昆虫。其他蜘蛛经过进化，能织出更复杂的螺旋式圆网，这种网的不同区域是由不同类型的蛛丝构成的――一些丝在捕获猎物方面进行了优化，另一些丝在大网设计的结构支持方面进行了优化。
人造丝是犹他州立大学通过基因工程制造的蜘蛛丝蛋白纺织出来的
这种进化的恩赐给试图把蜘蛛丝用于人类服务的工程师带来了福音和启示。如果一个设计需要一种具有特定的强度和弹性比的纤维，“很可能这种纤维已经被成千上万种蜘蛛里的一种发明出来了。”林说。
大多数研究都是围绕利用蜘蛛丝的坚韧性――在材料科学上，用坚韧性来度量弄断某物需要多大的能量。像蜘蛛丝这样的材料既坚固又有弹性。即使一只飞入蜘蛛网的大昆虫以最大的速度拉伸蜘蛛网上最好的纤维，也不能冲破它们。
蜘蛛的拖丝是目前已知最坚韧的丝，也是研究者密切关注的研究热点。蜘蛛利用拖丝安全地悬挂着，制造蜘蛛网的框架，并用在抗破损是头等大事的场所。在2004年上映的电影《蜘蛛侠2》的一幕场景中，这个名叫蜘蛛侠的超级英雄用他的蜘蛛网拦截了一列失控的纽约地铁，这一场景并非太远离现实。2012年，英国莱斯特大学的物理学研究生计算出达尔文树皮蜘蛛吐出的拖丝就能实现电影中所展现的壮举。
达尔文树皮蜘蛛的拖丝如果能批量生产，将在那些重量轻但坚固的材料至关重要的应用中发挥宝贵作用：比如战斗机飞行员的头盔，人造肌腱和韧带，或是蜘蛛侠般的攀爬绳索。但是从实用和工业生产的观点来看，蜘蛛是无用的。当蜘蛛被人工圈养时，会变成吃同类者，所以必须从野外捕捉。为了获得天然蜘蛛丝，研究者必须麻醉蜘蛛，把一根蜘蛛丝的一端绑到一个电钻的变速马达上，然后轻轻地从蜘蛛的一个丝腺体中把丝拉出来。根据蜘蛛的种类不同，这个抽丝技术能产生多达100米的丝。这道费力的工序比从蜘蛛网中把丝分拣出来更容易，但是不能批量生产。所以研究者正在研究如何不借助蜘蛛就能生产蜘蛛丝。这种制作法提出了两项初始的挑战：第一，从哪里找到丝蛋白；第二，如何把丝蛋白组装成有用的纤维。
聚焦纤维
为了实现使人造蜘蛛丝成为一种工程材料的梦想，研究者从基因开始着手。美国犹他州立大学的伦道夫·刘易斯（Randolph Lewis）在1990年首次对蜘蛛丝蛋白基因进行了测序。刘易斯选择了棒络新妇蛛的拖丝，这是一种原产于美洲的物种，又被称为金纺蜘蛛。从那以后，刘易斯和其他研究者成功地在许多生物系统中对这种蛋白质进行了表达，包括大肠杆菌、紫花苜蓿和山羊，山羊在其羊奶中表达出这种蛋白质分子。刘易斯创办了一家名叫Araknitek的公司来研发和许可生产这些蛋白质。
还有其他公司也在研发蜘蛛丝蛋白。位于德国慕尼黑附近的AMSilk公司生产了用于化妆品和洗发剂的人造蜘蛛丝蛋白；位于瑞典斯德哥尔摩的Spiber技术公司出售由实验室自制的蜘蛛丝构成的用于生长细胞培养物的网状物和薄膜。另一个几乎同名的公司――位于日本鹤冈市的Spiber公司，已经从庆应大学脱离出来。很多具有商业头脑的公司都在研制人造蜘蛛丝的薄膜或纤维，用于医学器械和纺织品。
但是还没有人研究出如何生产像原丝一样坚韧的丝线轴。“我们最好的纤维的抗拉强度大约是蜘蛛丝的一半到三分之二。”刘易斯说。一个问题是基因工程制造的蜘蛛丝蛋白质分子没有天然的蜘蛛丝蛋白质分子那么大。无论材料是蛋白质还是塑料，纤维纺丝的一般规则是分子越大，纤维越强韧。但是这种趋势颠覆了生物工程的一个公理：蛋白质越大，在一个转基因的生物体中越难生产出来。天然拖丝蛋白的分子质量为250至500千道尔顿；而在实验室中制造的转基因生物体生产的丝蛋白的分子质量只有大约60至80千道尔顿。刘易斯说自己正在继续研究在转基因生物体中生产2到3倍这种分子质量、更接近于天然蜘蛛丝蛋白的蛋白质。“纤维的抗拉强度也将会提高。”他说。
即使用了正确的蛋白质，人类在合成蛋白质方面依然处于劣势，因为我们仍然不完全知道蜘蛛是如何合成蛋白质的。人造丝的纤维纺丝技术是基于生产凯夫拉尔（Kevlar）这样的聚合物纤维的方法，凯夫拉尔是美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维品牌。这些技术对于它们所设计制造的人造聚合物很有效，用来生产蛋白质则效果不佳。把蛋白质从一个微细针的针尖中挤出来，在水或酒精中洗涤后，拉伸并干燥――这个制作法与蜘蛛所采用的方法有很大的不同。科学家知道蜘蛛从专门的腺体中拉出蜘蛛丝，有些丝腺体包含不止一种蛋白质。丝从腺体中产生时是高度浓缩的纤维液体溶液，随着被拉出而结晶。这个过程还没有被模仿，研究者才刚刚开始理解使纺丝成为可能的解剖学和生理学的细节。
瑞典农业科学大学（位于乌普萨拉）生物化学家安娜·瑞星（Anna Rising）正求助于蜘蛛来寻找纤维纺丝的线索。为了更深入地了解如何制造坚韧的丝纤维，她和一个学生开展了一项精细复杂的研究，他们希望获得可应用于工业制丝的灵感。他们把微电极沿着活蜘蛛的丝腺体放置，从袋状的贮液囊沿着变窄的管道向下到其开口。她说，这些感应器揭示了如下现象：沿着丝腺体的长度“有相当令人印象深刻的pH梯度，并且CO2增加了”。瑞星现在正在研究复制这些pH梯度，她说这些梯度可能有助于控制丝蛋白在纺丝时的结晶。
瑞星还发现，当丝蛋白还在丝腺体里面时，一个丝蛋白的头与下一个丝蛋白的尾衔接在一起，排列成一行。当蛋白质在丝腺体内聚集时，它们事先排成一行。纤维中的蛋白质排列得越整齐，则纤维越强韧。这一点也可以在合成纤维中进行模仿。瑞典的Spiber技术公司正致力于把瑞星的想法商业化，在大肠杆菌中生产重组丝蛋白，目标是制造供临床使用的替代性肌腱和韧带。
林将观察蜘蛛发育过程中丝腺体的发育，从而获得更多的启示。她正在研究黑寡妇蜘蛛，这种蜘蛛拥有七种丝腺体，每一种都会产生独特的丝纤维。
尽管许多研究者受到蜘蛛拖丝的机械坚韧性的启发，其他人则从蜘蛛丝上看到了更广阔的应用前景。美国阿克伦大学的昆虫学家托德·布莱克莱杰（Todd Blackledge）是第一个鉴定了达尔文树皮蜘蛛丝特性的科学家。他说只关注一只蜘蛛或是一种蜘蛛就像是只研究近交系的实验室小白鼠。他正在观察其他蜘蛛吐出的丝，与阿克伦大学的材料科学家阿里·迪诺耶瓦拉（Ali Dhinojwala）合作研究某些蜘蛛网具有黏性的原因。他们俩发现很多蜘蛛丝的黏性不仅跟化学有关，还跟结构有关。
蜘蛛纲动物常见的一种黏合技术是制造一片紧凑的平行丝线，以在一端固定拖丝。蜘蛛这样做，就能安全地悬挂着了。这个黏合片由一种叫做梨状丝的线圈状丝蛋白的平行丝线构成；由这种蛋白质制成的纤维具有高度的弹性，像橡皮筋一样。这种梨状丝涂有黏蛋白溶液。要移除这种致密的黏合片，需要拉动上百根弹性丝线超过其断裂点。迪诺耶瓦拉是一名聚合物化学家，在一种聚合物黏合片上模仿了蜘蛛的黏合片。他证明一块具有合适弹性的聚合物丝线的黏性会像蜘蛛的黏合片一样，希望研制出用于肌腱修复手术的人造黏合片。
蜘蛛丝之外的丝
因为有一些研究者已经在破解蜘蛛丝的难题，其他研究者则利用更容易着手的一种动物制造的丝的特性。家蚕长期以来被饲养用来生产有光泽的纺织品。
蚕纤维不如蜘蛛丝那么坚韧，在很多方面来说都更简单。蚕用它们的丝只做一件事：蚕在变态发育期间，吐丝做茧作为庇身之所。蚕丝只有一种结构成分，叫做丝素蛋白。卡普兰看到了丝素蛋白的广阔前景――不一定要以纤维的形式得以应用。
蚕丝素蛋白是现成的，而且易于使用，美国塔夫茨大学的生物医学工程师、光子材料领域的专家菲奥伦佐·奥梅内托（Fiorenzo Omenetto）说。为了与塑料和硅等商品材料在电子器件和医疗器械方面的应用竞争，尺寸是关键。奥梅内托订购了大箱大箱的蚕茧，然后用卡普兰最初研制的配方对蚕丝进行加工。剖开蚕茧，把蚕蛹拿掉，把蚕茧放到热水浴中，把丝纤维上的如胶似漆的糖蛋白丝胶洗干净，再进行处理，以溶解和净化丝素蛋白。
由此得到的稠密的水溶液能与药物和其他生物分子或纳米颗粒混合，从而制成薄膜或其他结构。通过控制干燥环节的条件，研究人员可以引导丝素结晶成按所需时间尺度溶解的形态。
卡普兰和奥梅内托已经用丝薄膜来安置能监测心脏功能然后溶解的可生物降解的电子设备。他们还研制了药物释放植入体，人造角膜，坚固到足以拧入骨骼然后随着时间的推移而降解的丝制矫形器械，以及用于从大脑皮层生长神经元的湿软支架。
医学应用为丝的技术用途铺平了道路，卡普兰说。丝线已经在医疗机构中得到了广泛的应用，是最常用的缝线材料。卡普兰和其他研究者所研发的一些丝制的生物医学器械已经投放市场或是处于临床试验阶段，用于软组织修复手术。而且，总部设在英国牛津郡的Orthox公司正在测试丝制器械用于膝盖修复。很多致力于制造蜘蛛丝的研究人员想使蜘蛛丝得到类似的应用，比如修复韧带，蜘蛛丝格外的坚韧性会是额外的优势。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织的生物工程师塔拉·萨瑟兰（Tara Sutherland）正在研究没有蜘蛛丝和蚕丝那么有名的丝。萨瑟兰的分析揭示了在10万个不同的昆虫物种中独立进化的23组类型的丝。萨瑟兰和卡普兰一样，脑海中也设想了丝的医学应用。她从上千种选择中瞄准了一种昆虫：蜜蜂。蜜蜂用丝为它们的蜂巢提供隔热和结构支撑。
萨瑟兰从生物信息学的角度而不是进化学的角度，研究选择合适的丝这个问题。她想充分利用生物聚合物提供的性能。不像塑料和其他材料，蛋白质能感知环境并做出反应。萨瑟兰想制造会按照指示释放细胞吸引信号的组织工程支架，或是在感测到感染时会释放抗生素的丝绷带。她已经从耐克公司和美国宇航局等机构获得了研究资助。
要寻找一种可以很容易修改基因以加入智能特性的丝，她的分析指向了蜜蜂制造的丝。这些蛋白质比蜘蛛丝中的蛋白质更小，因而基因工程师更容易操纵。萨瑟兰的分析显示，基因序列的大片段可以在不干扰蛋白质的坚韧性和生物可降解性的情况下被改变。这为她通过基因工程植入新功能提供了更大的空间，比如吸引细胞帮助重建组织。萨瑟兰现在正在用这些丝来开发具有生物活性的绷带和其他医疗器械。
对萨瑟兰和其他研究者而言，自然界中的吐丝动物制造的纤维蕴含无穷的魅力和设计创意。“丝是地球上最好的材料，”卡普兰说，“没有其他东西能与之媲美。”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐
