現實里沒有蜘蛛俠，想擁有如天然蜘蛛捕絲般韌性高又親水的物料，還得靠科學家的巧手。由香港城市大學（香港城大）科研人員領導的研究團隊，早前研發出一款仿真天然蜘蛛捕絲結構特征的新材料。這款全絲蛋白基的人造絲，直徑比人類的頭發絲還要幼很多，質量更輕，同時具優異的水分收集性能，有望應用于戶外收集水份，甚至生物醫學材料。

該項研究由香港城大生物醫學工程學系教授兼可穿戴醫療保健材料實驗室主任胡金蓮教授領導。研究結果已經在學術期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表，題為〈A Spider‐Capture‐Silk‐Like Fiber with Extremely High‐Volume Directional Water Collection〉。

用基因重組方式制備人造蛋白

 

天然的蜘蛛捕絲具有獨特的結點結構（node structure），絲上會周期性地出現紡錘狀的結節（periodic spindle knots），加上捕絲本身具有親水等物理化學性質，因此能有效地定向收集大氣中的水分，使在蜘蛛網上凝結成的水珠，向網的中心點匯聚。同時，天然蜘蛛捕絲韌性很高，而且在被拉長后一旦遇上濕氣就會收縮，恢復到初始的長度，所以因纏住獵物而變了形的蜘蛛網，遇水便可以自行恢復原狀。“這些特性引起了科學界的興趣，但由于從蜘蛛身上收集捕絲費時失事，所以科學家用不同的方法制作出有相似特性的人造絲和新型材料，應用于縫合傷口用的縫線等方面。”胡教授介紹說。

 

胡教授的專長是研究紡織材料，對蜘蛛絲的生物模仿亦已經鉆研多年。現時的人造絲多采用尼龍作為基底材料，表面再外加不同物料的涂層。但胡教授指出，蠶絲在吸濕性能和熱穩定性都比尼龍優勝，更可生物降解，因此他們團隊選用了蠶絲作為原材料，制作人造絲。

團隊先通過基因重組的方式，制備出一種名為eMaSp2的重組蜘蛛絲蛋白。天然蜘蛛絲的結節主要是由親水、粘性的糖蛋白組成，具有三種豐富的氨基酸（分別是絲氨酸（serine）、甘氨酸（glycine）和纈氨酸（valine））；而eMaSp2正正同樣大量含有上述這三種氨基酸，跟親水的天然蜘蛛絲糖蛋白相似，因而能夠提升材料的親水性。

 

團隊然后采用浸漬法，將已脫膠的蠶絲浸泡在含有eMaSp2的溶液再取出。由于受“瑞利不穩定性”（Rayleigh instability）的影響（即液體傾向將表面面積縮至最小，最后因表面張力而斷開成為一滴滴），沾在蠶絲表面的eMaSp2會斷開成紡錘狀，形成一個個隔開一定距離的“結”，就如天然蜘蛛絲上的周期性結節。而且顯微鏡影像顯示，這些“結”的表面也如天然蜘蛛絲上的結節表面一樣，并不平滑。胡教授解釋說：“表面的不平滑增加了水和蠶絲接觸的面積，因此提升了集水能力。”她又說︰“我們使制成的全絲蛋白基人造絲不論從物理結構到化學性質，均達致全方位的仿生效果。”

實驗結果證明材料集水能力優越

研究團隊就這種人造絲的集水能力進行實驗。結果表明，蠶絲浸過eMaSp2后，集水效率大大提高：水分會聚集在“結”的附近形成水滴，相鄰的水滴會聚結成更大的水滴然后懸掛在纖維上，直到重力超過水和纖維之間的表面張力，才會滴下。

研究人員更發現，水滴在沒有浸過eMaSp2所以表面沒有“結”的蠶絲上，大約只能懸掛250秒，而于浸過eMaSp2的蠶絲上，水滴可以懸掛690秒才滴下。胡教授說：“后者能收集到的水分體積，幾乎是前者的3倍，令我們感到意外。”

_{此短片顯示水分會聚集在纖維表面的“結”的附近，而相鄰的水滴會聚結成為更大的水滴。（影片來源: DOI number: 10.1002/adfm.202002437）}

 

胡教授指出，雖然這種人造絲最多可收集的水體積，只及現時尼龍人造絲相關最高紀錄的三分之一，但比它輕了約252倍，而且集水效率（即集水體積與纖維質量的比率）更提高了近100倍。她說︰“若以同等的水體積比較，我們的材料比尼龍人造絲更幼，所以集水效率相比之下更高。”

她和團隊下一步會深入研究材料的實際應用。她相信，由于這種材料很輕，便于攜帶和處理，可用于戶外例如沙漠收集水分，而且材料可生物降解，并且已去除對人體有害的膠質，用于人體內應不會排斥，或可作生物醫學用途。

她又補充，盡管基因重組蛋白比較昂貴，但是制備這種人造絲時所需的基因重組蛋白用量少，只要結合成熟的浸漬工藝以及已商業化生產的蠶絲，她相信這種人造絲具有規模化生產的潛力。

 

胡教授是論文的通訊作者。論文的共同第一作者是同樣來自香港城大生物醫學工程學系的Harun Venkatesan博士和中山大學生物醫學工程學院的陳建銘博士，二人都是胡教授的博士生。研究團隊的其他成員來自深圳灣實驗室以及深圳北京大學香港科技大學醫學中心。 

這項研究獲得香港研究資助局與國家自然科學基金委員會的資助進行。

 

DOI number: 10.1002/adfm.202002437

本文已于 “香港城大研創” 微信公眾號發布。
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