每平方厘米可承重5噸、每平方毫米可以吊起一個50公斤重的成年人——天然蛛絲，在動漫、電影裡是蜘蛛俠的得力武器，在現實生活中，由於其驚人的力學強度和卓越的延展性，一直是材料科學領域仿生研究的理想模板。

近日，香港城市大學胡金蓮教授與深圳北京大學香港科技大學醫學中心劉偉研究員聯合組建的研究團隊經過5年科研攻關，在重組蜘蛛絲材料領域取得突破性進展。該研究創新採用“邊緣半胱氨酸鎖定”的精准分子工程設計方法，成功攻克重組蛛絲力學性能不足、濕度穩定性差等核心難題，研發出兼具超高強度、韌性與環境適應性的人工蛛絲纖維，相關研究成果日前相繼發表於國際學術期刊《先進科學》和《微尺度》。

“由於蜘蛛養殖難、蛛絲產量極低，蛛絲很難通過養殖手段進行產業化獲取。”劉偉解釋，因此，通過大腸杆菌生產蛛絲蛋白，再進行人工重組一直是科研領域的重點研究方向。“然而長期以來，人工合成蛛絲由於蛋白分子量偏小、結構鬆散，面臨結晶穩定性不足、力學性能衰減等問題，難以實現穩定紡絲。”

為什麼蛛絲液在蜘蛛體內是液體，經蜘蛛吐絲就變成了強韌的固體？研究團隊將研究重點從形態仿生轉向過程仿生，開始模擬蜘蛛腺體內的精密調控過程。

“我們整合了分子設計、生物合成、材料加工與模擬計算等多學科技術手段，改變了之前的有機溶劑溶解方法，轉為採用水相仿生法，通過調控酸鹼度和鹽濃度模擬自然吐絲過程，將液態蛋白轉化為固態纖維，最后引入二硫鍵交聯處理，來提升纖維的結構穩定性。”文章第一作者、團隊聯合培養博士生栗敏解釋。這樣紡出的重組蛛絲纖維具有三大核心優勢：一是結構穩定性強，有效抵御水分誘導的結構破壞﹔二是力學性能均衡，實現了高強度與高韌性的結合，且加工過程綠色環保，無須有機溶劑﹔三是功能可編程，不僅能實現濕度響應的可逆形變與形狀記憶，還可通過微流控技術實現連續規模化制備——這意味著能夠實現人工蛛絲從實驗室研究向產業化應用的關鍵跨越。

這些特性使該材料在多個領域展現出巨大應用潛力：在軟機器人領域，可作為高功率人工肌肉驅動精密運動。“人體肌肉束是由‘一絲一絲’的結構組成的，如果我們能批量生產這種蜘蛛絲纖維，把它們也做成束狀，每一根纖維的恢復應力就很高，成束后應力會更高。從仿生角度看，這種束狀結構可以模仿肌肉束，憑借‘形變后快速恢復’和‘高恢復應力’的特點，具備更強的運動能力。”劉偉表示，另外，這種纖維韌性高、質地柔軟，還能打結，如果應用到機器人中，可以植入小型精密器件，代替人體關節處的肌肉，作為醫學材料替代方案。

而在生物醫學領域，該材料有望用於可降解縫合線、組織工程支架等生物相容性器件。目前，該團隊正在進行應用嘗試，將這種纖維作為醫用縫合線，用於小鼠胃部手術。“這種纖維是純蛋白材質，降解產物無毒，降解速度也能和人體愈合速度平衡，對人體的免疫刺激性更低。”栗敏表示，同時，該材料在智能紡織領域，能開發出濕度響應的自適應面料﹔在柔性傳感器、智能驅動設備等新興領域也具有廣闊應用前景。

（記者 黨文婷 嚴聖禾）