虎纹捕鸟蛛丝——一种可人工养殖的蜘蛛丝

摘要：

结圆网蜘蛛大囊状腺分泌的牵引丝纤维被认为是世界上综合力学性能最优异的天然蛋白质纤维，同时具有良好的生物降解性和生物相容性，但是结圆网蜘蛛具有互相蚕食性，无法进行规模化人工养殖。虎纹捕鸟蛛作为目前众多种类蜘蛛中唯一可人工养殖的蜘蛛，其蛛丝纤维同样具有良好的生物学特性，在生物医用材料领域具有潜在的应用前景。本文概要介绍虎纹捕鸟蛛丝纤维的组成、结构与性能，并在此基础上阐述了静电纺再生捕鸟蛛丝纤维的形态结构及细胞增殖粘附性能，分析其在生物医用材料领域的潜在应用价值。

关键词：虎纹捕鸟蛛丝；力学性能；热学性能；生物相容性

结圆网蜘蛛大囊状腺分泌的牵引丝纤维是天然蛋白质纤维中综合力学性能最优异的一种，其比模量优于钢而韧性强于Kevlar纤维，被认为是降落伞、防弹衣等的理想材料。同时，蜘蛛丝还具有很好的生物可降解性和生物相容性，在生物医用材料上也具有潜在的应用价值，因而受到了越来越多的关注。目前研究较多的有络新妇蛛、十字园蛛、大腹园蛛、黑寡妇等蜘蛛分泌出来的牵引丝，但是一般来说蜘蛛不能进行大规模养殖，天然蜘蛛丝纤维的产量十分有限。采用基因技术人工合成蜘蛛丝蛋白虽然取得了一定的成果，但是成本高、产量低、丝纤维性能差，从而制约了人造蜘蛛丝的发展。虎纹捕鸟蛛是一种地下穴居型蜘蛛，与结网蜘蛛不同，除了在产卵时，产包卵丝和少量附着丝外，平时会一边吸吮食物一边吐丝，因此，在每次饲喂食物后，可以收集到一定量的蜘蛛丝纤维。在中国广西等地已经有大规模养殖虎纹捕鸟蛛的养殖场，使天然蜘蛛丝纤维的产业化生产成为可能。

本课题组已经对虎纹捕鸟蛛丝的基本结构与性能及其再生加工技术开展了较为深入、全面的研究，本文概括性介绍我们的部分研究结果。

1 虎纹捕鸟蛛的概况

虎纹捕鸟蛛（Ornithoctonus huwenna），又名地老虎（见图1），属蜘蛛目狒蛛科捕鸟蛛亚科，体积较大，体长一般在6cm～9cm，体重有20g～30g，雌雄外表体形差别不大。因身体多毛，得名于头胸部背面的辐射状斑纹以及腹部背面的虎纹状花纹。这类蜘蛛一般只生长在北回归线以南的热带、亚热带山区和半山区，是一种负趋光性、大型穴居、不耐寒的剧毒稀有动物。在我国，虎纹捕鸟蛛主要分布于广西、云南、海南，是我国目前所发现的个体最大、单蛛产毒量最高（1mL/次）的穴居毒蛛。由于这类蜘蛛的粗毒中含有透明质酶，碱性磷酸酶和DNA酶等多种酶类，是研制新型药物的新药源，因而在广西等地有专门的蜘蛛养殖场饲养捕鸟蛛并从中提取毒素。

图1 虎纹捕鸟蛛

图2为广西南宁蜘蛛养殖研究所人工养殖虎纹捕鸟蛛的图片。每个容器里装一只蜘蛛，环境温度控制在15℃～30℃，通过容器盖子上钻孔来达到通风透气的目的，给蜘蛛充足的水分，成蛛一周喂一次食，避光养殖。

图2 虎纹捕鸟蛛人工养殖现场

2 虎纹捕鸟蛛丝的基本化学组成和形态结构[1]

2.1 氨基酸组成

将虎纹捕鸟蛛丝溶解在一定浓度的HCL溶液中，利用日立-8800高速氨基酸分析仪测定了其氨基酸组成。测定结果见表1，其中含量最多的三种氨基酸是丙氨酸、丝氨酸以及天门冬氨酸，合占47.79%，其中最多是丙氨酸，占26.71%，而丝素中仅甘氨酸和丙氨酸就占了总量的73.07%，其中甘氨酸含量最多，达到40.55%[1]。虎纹捕鸟蛛丝中丙氨酸含量最多，有利于分子链形成伸展状的β-折叠结构。而甘氨酸、脯氨酸与谷氨酸这些可形成螺旋结构分子链段的氨基酸含量则较低。另外，捕鸟蛛丝中丝氨酸等极性氨基酸含量也较高，有助于提高分子排列的规整性，增强分子间的作用力。

表1 虎纹捕鸟蛛丝氨基酸组成

2.2 形态结构

将一束虎纹捕鸟蛛丝通过导电胶粘在试样台上，经喷金处理后采用日立S-4700型扫描电子显微镜观察其纵向形态结构，图3的扫描电镜图表明，虎纹捕鸟蛛丝表面较光滑，经图像处理软件计算得到的纤维平均直径为（146±20 ）nm，而络新妇蛛丝的平均直径为7μm～9 μm[2]，大腹园蛛丝（见图4）也要5 μm左右。虎纹捕鸟蛛丝是所有研究的蜘蛛丝中直径最小的纳米级丝纤维。

图3 虎纹捕鸟蛛丝纵向形态 图4 大腹园蛛丝纵向形态

3 虎纹捕鸟蛛丝的性能

3.1 力学性能

采用美国Agilent公司的UTM动态纳米拉伸仪对一束虎纹捕鸟蛛丝进行拉伸测试，夹距为1cm，[3]测试结果如表2所示，虎纹捕鸟蛛丝的力学性能随着所测丝纤维束的直径不同而呈现不规律的变化，其断裂强度平均在3.62MPa左右，与大腹园蛛丝（724 MPa）相比差两个数量级，断裂伸长率也比大腹园蛛丝（34%）低。

表2 虎纹捕鸟蛛丝的力学性能

3.2 热稳定性

用美国PE公司的TG-DTA（PE-SⅡ）对虎纹捕鸟蛛丝粉末状试样进行热分析，氮气氛围，氮气流量20mL/min，测试温度范围为40℃～760℃，升温速率为20℃/min，[4]结果如图5所示，纤维的热分解基本上分为三个阶段：87℃左右由于失去丝纤维中的吸附水而失重约4.5%；在300℃左右开始分解，349℃左右分解速率最大；到384℃左右时，失重达到59.6%，主要分解过程停止；385℃以后主要是一些残渣的分解。相对于250℃左右就分解的大腹园蛛丝来说，虎纹捕鸟蛛丝热稳定性较好，这与其结晶度较高有关。

3.3 收缩性[4]

众所周知，蜘蛛牵引丝在水以及尿素等液体中具有超收缩性。为了研究虎纹捕鸟蛛丝在水中的尺寸稳定性，取10根3cm的虎纹捕鸟蛛丝，将其放入去离子水中，半个小时后取出来，自然晾干，测量其长度。表3 为虎纹捕鸟蛛丝在水中的收缩率，虎纹捕鸟蛛丝在水中的收缩率在3.26%左右，几乎不收缩，而大腹园蛛、络新妇蛛等蜘蛛都有明显的超收缩现象，这与氨基酸组成中脯氨酸含量有关，脯氨酸越多，蜘蛛丝的超收缩性越大。虎纹捕鸟蛛丝中脯氨酸相对其他蜘蛛丝较少，所以在水中的尺寸稳定性较好，这点对其后加工利用具有很重要的意义。

表3 虎纹捕鸟蛛丝在水中的收缩率

4 再生虎纹捕鸟蛛丝纤维在生物医用材料上的应用[5]

将虎纹捕鸟蛛丝溶解在六氟异丙醇溶液中得到浓度为1%的纺丝液，注入玻璃注射管中，调整电压为10kV，纺丝头与接收板距离为10cm，纺丝流量在1ml/h～2ml/h之间使其形成稳定射流，通过静电纺装置将虎纹捕鸟蛛丝蛋白溶液纺制成纳米纤维毡，图6为纺制成的纳米纤维毡的扫描电镜图，并对其生物相容性进行了初步探索。将成纤维细胞接种于铺有静电纺再生捕鸟蛛丝纤维毡的细胞培养皿中，在荧光倒置焦显微镜下观察接种后1天、3天（见图7）、5天、7天、9天后细胞的形态和生长情况并测定其OD值，发现成纤维细胞在静电纺纤维毡上的生长、增殖情况良好，细胞绝大多数呈梭形，形态正常，且随着培养天数的增加OD值增大（见图8），说明再生虎纹捕鸟蛛丝纤维毡与成纤维细胞间具有良好的生物相容性。

图6 静电纺再生虎纹捕鸟蛛丝纤维电镜图

图7 成纤维细胞在再生虎纹捕鸟蛛丝纤维毡上的

生长情况（3天）

图8 细胞在试样上培养奇数天的OD值

5 结语

虎纹捕鸟蛛作为目前唯一可进行大规模人工养殖的蜘蛛，其丝纤维虽然力学性能较差，但是作为一种天然的纳米级蛋白质纤维，其含有17种氨基酸，热稳定性好，遇水基本不收缩，可方便地进行再生加工，其再生纤维具有良好的细胞增殖与粘附性，在生物医用材料领域具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]叶德太，张时康.桑蚕丝素与丝胶氨基酸组成的研究[J].蚕桑通报，1984，（3）：34-36.

[2]Glisovic A，Thiemev J，Guttmann P，etal.Transmission X-ray microscopyof spider dragline silk[J].Biological Macromolecules，2007，40：87-95.

[3]裔婷婷.动物丝蛋白/SWNTs复合纳米纤维的结构与性能[D].苏州：苏州大学，2012.

[4]刁均艳.虎纹捕鸟蛛丝的结构与性能及其静电纺再生加工[D].苏州：苏州大学，2008.

[5]张敏.蜘蛛丝/聚乳酸复合纳米纤维的研制与开发[D].苏州：苏州大学，2011.

（作者单位：苏州大学纺织与服装工程学院）