当它们编织网时，蜘蛛拉扯它们的丝线。新的模拟显示，纺纱过程中的拉伸导致纤维内的蛋白质链对齐，并且这些链之间的氢键数量增加。这两个因素都增强了丝纤维的整体强度和韧性。这些洞见可以应用于设计更强、更韧的合成材料。
当蜘蛛吐丝时，它们用后腿从丝腺中拉出丝线。这一拉扯动作不仅帮助蜘蛛释放丝线，也是在增强丝纤维以形成更耐用的网的重要一步。
在一项新的研究中，西北大学的研究人员发现拉伸的作用为什么如此重要。通过在计算模型中模拟蜘蛛丝，团队发现拉伸过程使纤维内的蛋白质链对齐，并增加了这些链之间的结合。两个因素都导致了更强、更韧的纤维。
然后，团队通过使用工程化的蜘蛛丝进行实验验证了这些计算预测。这些洞见可以帮助研究人员设计工程化的受丝启发的蛋白质和纺纱过程，以用于各种应用，包括强大、可生物降解的缝合线和坚韧的高性能抗爆护甲。
该研究将于周五（3月7日）在期刊Science Advances上发表。
“研究人员已经知道这种拉伸或拉 drawn 对于制造真正强韧的纤维是必需的，”西北大学的西南·凯滕（Sinan Keten）说，他是该研究的主要作者。 “但没有人确切知道为什么。有了我们的计算方法，我们能够探讨在纳米尺度上发生的事情，从而获得实验无法看到的洞见。我们可以检查拉伸如何与丝的机械性能相关。”
“蜘蛛自然地执行这一拉伸过程，”西北大学的雅各布·格雷厄姆（Jacob Graham）说，他是该研究的第一作者。“当它们从丝腺中吐出丝时，蜘蛛用后腿抓住纤维并将其拉出。这在形成过程中拉伸了纤维。它使纤维非常强劲且富有弹性。我们发现，通过简单改变拉伸的数量，就能改变纤维的机械属性。”
科滕是生物启发材料的专家，担任西北大学麦考密克工程学院的杰罗姆·B·科恩工程教授和机械工程副主席，以及土木和环境工程教授。格雷厄姆是凯滕研究小组的博士生。
比钢更强，比凯夫拉更韧
研究人员一直对蜘蛛丝感兴趣，因为它具有显著的特性。它比钢更强，比凯夫拉更韧，并且像橡胶一样有弹性。但是，饲养蜘蛛以获取天然丝是昂贵、耗能和困难的。因此，科学家们希望在实验室中重新创造丝状材料。
“蜘蛛丝是最强的有机纤维，”格雷厄姆说。“它也具有生物降解的优点。因此，它是医疗应用的理想材料。它可以用于手术缝合线和伤口闭合的粘合凝胶，因为它会在体内自然、无害地降解。”
研究合著者冯忠（Fuzhong Zhang），华盛顿大学（WashU）弗朗西斯·F·阿赫曼教授，已工程化微生物多年以生产蜘蛛丝材料。通过挤出工程化的蜘蛛丝蛋白质，并用手拉伸它们，团队开发了类似于金丝团蛛（Golden Silk Orb Weaver，即一种大型蜘蛛，其网非常强韧）的人工纤维。
模拟拉伸性
尽管已经开发出这种“食谱”用于蜘蛛丝，研究人员仍未完全理解纺纱过程如何改变纤维的结构和强度。为了解决这个悬而未决的问题，凯滕和格雷厄姆开发了一个计算模型来模拟张的人工丝中的分子动力学。
通过这些模拟，西北大学团队探讨了拉伸如何影响纤维内蛋白质的排列。具体来说，他们着眼于拉伸如何改变蛋白质的顺序、蛋白质之间的连接以及分子在纤维内的运动。
凯滕和格雷厄姆发现，拉伸使蛋白质“排成一行”，这增强了纤维的整体强度。他们还发现，拉伸增加了氢键的数量，这些氢键像桥梁一样连接蛋白质链以构成纤维。氢键数量的增加促进了纤维的整体强度、韧性和弹性，研究人员发现。
“一旦纤维被挤出，它的机械性能实际上是相当弱的，”格雷厄姆说。“但是当它被拉伸到初始长度的六倍时，它会变得非常强。”
实验验证
为了验证他们的计算结果，团队使用光谱技术检查华盛顿大学团队的真实纤维中蛋白质链是如何拉伸和排列的。他们还使用拉伸测试查看这些纤维在断裂前能承受多少拉伸。实验结果与模拟的预测相符。
“如果你不拉伸材料，你就会看到这些球状的蛋白质块，”格雷厄姆说。“但是拉伸使这些块变成更相互连接的网络。蛋白质链一个叠在另一个上，网络变得越来越相互连接。捆在一起的蛋白质具有更多解开和进一步延展的潜力，然而最初拉伸的蛋白质形成的纤维则需要更多的力量才能断裂。”
虽然格雷厄姆过去认为蜘蛛只是一种爬虫，但他现在看到它们能帮助解决现实问题的潜力。他指出，工程化蜘蛛丝为其他主要由石油衍生塑料的合成材料提供了更强、更可生物降解的替代品。
“我确实是以新的角度看待蜘蛛，”格雷厄姆说。“我曾经认为它们是恼人的生物。现在，我把它们视为一种迷人的存在。”
这项研究题目为“通过对拉伸过程的预测建模绘制合成丝纤维的机械性能范围”，得到了国家科学基金会（资助号OIA-2219142和DMR-2207879）的支持。
