研究人员已经成功地制造出一种设备，可以纺出与蜘蛛自然分泌的蛛丝非常接近的人造蜘蛛丝。人造丝腺通过模仿蜘蛛丝腺中自然发生的各种化学和物理变化，能够重现丝的复杂分子结构。
这种环保创新是朝着可持续发展迈出的一大步，可能会影响到几个行业。这项研究由日本理研可持续资源科学中心的Keiji Numata和理研先锋研究集群的同事领导，发表在《自然通讯》杂志上。
蜘蛛丝以其强度，柔韧性和重量轻而闻名，其抗拉强度与相同直径的钢相当，强度与重量比是无与伦比的。此外，它具有生物相容性，这意味着它可以用于医疗应用，也可以生物降解。那么，为什么不是所有的东西都是由蜘蛛丝制成的呢?由于几个原因，从蜘蛛身上大规模采集蛛丝被证明是不切实际的，这就需要科学家们开发一种在实验室里生产蛛丝的方法。
蛛丝是一种生物聚合物纤维，由高度重复序列的大型蛋白质制成，称为蛛丝。在蚕丝纤维中有被称为β片的分子亚结构，它们必须正确排列，才能使蚕丝纤维具有独特的机械性能。多年来，重建这种复杂的分子结构一直困扰着科学家们。RIKEN的科学家们采用了仿生学的方法，而不是试图从头开始设计这个过程。
正如Numata解释的那样，“在这项研究中，我们试图用微流体模拟天然蜘蛛丝的生产，这涉及到通过狭窄通道的少量流体的流动和操纵。事实上，人们可以说蜘蛛的丝腺是一种天然的微流体装置。”
研究人员开发的设备看起来像一个小矩形盒子，上面有微小的沟槽。将前体蛛素溶液置于一端，然后通过负压将其拉向另一端。
当蜘蛛通过微流控通道时，它们暴露在化学和物理环境的精确变化中，这是通过微流控系统的设计实现的。在适当的条件下，蛋白质自组装成具有其特有复杂结构的丝纤维。
研究人员通过实验找到了这些正确的条件，并最终能够优化微流体系统不同区域之间的相互作用。除此之外，他们还发现，用力推动蛋白质通过是行不通的;只有当他们用负压来拉蛛素溶液时，才能组装出具有正确的β片排列的连续丝纤维。
“令人惊讶的是，一旦建立和优化了不同的条件，微流体系统是多么的强大，”资深科学家阿里·马来(Ali Malay)说，他是该论文的合著者之一。“纤维组装是自发的，非常快速，并且具有很高的可重复性。重要的是，这些纤维表现出了天然丝纤维中独特的层次结构。”
使用这种方法人工生产丝纤维的能力可以提供许多好处。它不仅可以帮助减少当前纺织品制造对环境的负面影响，而且蜘蛛丝的可生物降解和生物相容性使其成为生物医学应用的理想选择，例如缝合线和人工韧带。
“理想情况下，我们希望对现实世界产生影响，”Numata说。“为了实现这一目标，我们需要扩大我们的纤维生产方法，使其成为一个连续的过程。我们还将使用几个指标来评估人造蜘蛛丝的质量，并在此基础上进一步改进。”
