·開創(chuàng)了兩個(gè)新理論，首次界定了材料強(qiáng)度與材料韌性的本質(zhì)，有望指導(dǎo)大量高性能材料的設(shè)計(jì)和改良。可以作為設(shè)計(jì)能夠建造太空電梯的材料的指導(dǎo)原則。

·全球首個(gè)完整全長(zhǎng)的蜘蛛絲蛋白纖維。有助于蛛絲的大規(guī)模商業(yè)化。

轉(zhuǎn)基因蠶生產(chǎn)的蜘蛛絲蛋白纖維。

“石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代……人類的整個(gè)文明史幾乎可以用材料來劃分、命名。”9月20日，位于上海市松江區(qū)的東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生、論文第一作者米俊鵬告訴澎湃科技。

如何設(shè)計(jì)一種兼具高強(qiáng)度和高韌性的超級(jí)材料？比如用于建造太空電梯？

米俊鵬表示，此前人們以為“魚和熊掌不可兼得”。但在最新發(fā)表的論文中，他首次探究并界定了材料強(qiáng)度與材料韌性的“本質(zhì)”，并開創(chuàng)了兩個(gè)新理論——INCBED理論和ASM INCBED理論。前者被稱為“分子間非共價(jià)鍵能密度理論”，被用于描述材料強(qiáng)度的本質(zhì)。后者被稱為“平均單分子間非共價(jià)鍵能密度理論”，被用于描述材料韌性的本質(zhì)。而這一研究成果有望指導(dǎo)大量高性能材料的設(shè)計(jì)和改良。

東華大學(xué)松江校區(qū)。

“可以作為設(shè)計(jì)能夠建造太空電梯的材料的指導(dǎo)原則，有效地將超高強(qiáng)度和超強(qiáng)韌性結(jié)合起來?！?0日23時(shí)，前述在線發(fā)表在細(xì)胞出版社（Cell Press）旗下國(guó)際期刊《物質(zhì)》（Matter）上論文稱。

該論文的標(biāo)題是《用轉(zhuǎn)基因家蠶紡制的高強(qiáng)度、超韌性全蛛絲纖維》（High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms）。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院孟清教授和西南大學(xué)夏慶友教授是該論文的通訊作者。

米俊鵬等人還以前述理論為指導(dǎo)，對(duì)強(qiáng)韌輕巧的蜘蛛絲蛋白纖維（簡(jiǎn)稱“蛛絲纖維”）進(jìn)行研究和改良，讓蠶吐出比防彈背心纖維韌性更高的蛛絲。

“我們生產(chǎn)出了全球首個(gè)完整全長(zhǎng)的蜘蛛絲蛋白纖維。”米俊鵬說。

研究結(jié)果顯示，這些由家蠶“吐出”的蛛絲纖維表現(xiàn)出驚人的拉伸強(qiáng)度——達(dá)1299兆帕，和驚人的韌性——達(dá)319兆焦耳/立方米。其韌性比美國(guó)杜邦公司研發(fā)、可用于制作防彈衣的凱夫拉纖維的韌性高6倍。

蛛絲纖維重量很輕，又具有極高的機(jī)械性能，在軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。而養(yǎng)蠶、收集蠶繭、繅絲等已是相對(duì)成熟的商業(yè)體系。讓蠶“吐出”蛛絲，有助于實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模商業(yè)化。

此前有美國(guó)公司稱，用蠶合成蛛絲纖維，并獲得其國(guó)防部門的支持，但對(duì)其技術(shù)及細(xì)節(jié)秘而不宣。

科學(xué)家們認(rèn)為蛛絲是合成纖維的有前景的可持續(xù)替代品。合成纖維會(huì)向環(huán)境中釋放有害的微塑料，而且通常是由產(chǎn)生溫室氣體排放的化石燃料生產(chǎn)的。之前開發(fā)的人造蛛絲工藝需要在蛛絲表面涂上一層糖蛋白和脂質(zhì)，以幫助它抵御潮濕和日照——類似于蜘蛛在其蛛絲上涂的一層抗衰老的“涂層”。

而蠶為這個(gè)問題提供了一個(gè)解決方案，因?yàn)樾Q也會(huì)在自己的蠶絲纖維上包裹一層類似的保護(hù)層。

家蠶的絲腺。 米俊鵬 圖

為了讓蠶“吐出”蛛絲，米俊鵬等研究人員將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)和數(shù)十萬(wàn)次微量注射到受精卵中的方法，在蠶的腺體中表達(dá)蛛絲蛋白。米俊鵬說，在這項(xiàng)研究中，顯微注射是最重大的挑戰(zhàn)之一，但當(dāng)看到蠶的眼睛在熒光顯微鏡下發(fā)出紅光時(shí)——這是基因編輯成功的標(biāo)志——他欣喜若狂。

 “我手舞足蹈跑到孟清教授的辦公室分享這個(gè)結(jié)果。我還清楚地記得那個(gè)晚上，我興奮地睡不著覺。”米俊鵬說。

米俊鵬透露，人類等生物體內(nèi)只有20多種氨基酸，而一百多種工程氨基酸的引入，能為工程蛛絲纖維提供無(wú)限潛力。目前他正在瞄準(zhǔn)研發(fā)2.0版本、3.0版本的改良后的蛛絲纖維。

相關(guān)論文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238523004216?dgcid=coauthor#appsec2