古老絲材料書寫新傳奇

張唯誠

許多動(dòng)物都產(chǎn)絲，如有些貽貝靠絲附著在巖石上，蜘蛛則用絲網(wǎng)誘捕獵物。但對人類最有用的絲來自于人們常說的蠶。蠶是家養(yǎng)蠶蛾的幼蟲，在成蛹前會(huì)結(jié)繭，這種繭是桑蠶蛹期的保護(hù)殼，是由數(shù)百米長的絲纖維織成的。

利用蠶絲是華夏文明的偉大創(chuàng)造，我國勞動(dòng)人民在將近5000年前就開始把蠶絲紡成線，織成簡單的絲織品，從而創(chuàng)造了燦爛的絲綢文明。但在大自然中，蠶絲并不是最堅(jiān)韌的，有些動(dòng)物的絲遠(yuǎn)比蠶絲結(jié)實(shí)，例如蜘蛛絲。在好萊塢科幻影片《蜘蛛俠》中，男主角依仗蛛絲飛檐走壁，穿行于建筑物之間。雖然影片渲染的場景極盡夸張，但卻形象地把蛛絲的優(yōu)良特性表現(xiàn)得淋漓盡致。原來蛛絲的強(qiáng)度是鋼的20倍，且極具柔韌性，即使拉長50%也不易斷開。它又極輕，其重量只有人類發(fā)絲的十分之一。

然而與蠶絲相比，蛛絲也有不盡人意的地方。蜘蛛的吐絲量很少，又不是群居動(dòng)物，要大量獲得蛛絲極為不易。在這方面，蠶極大地優(yōu)于蜘蛛，蠶不僅能吐絲結(jié)繭，也能大量飼養(yǎng)，加之蠶絲的堅(jiān)韌度也不差，所以倍受人們的青睞。

如今，人們越來越重視絲材料，尤其是蠶絲和蛛絲。人們想方設(shè)法地利用它們，這在醫(yī)療領(lǐng)域里最為引人注目。由于它們是天然材料，對它們過敏的人并不多，因而使用絲制的植入物相對來說是比較安全的，且可以免除術(shù)后移除。此外，干細(xì)胞能很好地在絲材料中生長繁殖。這種細(xì)胞有形成不同器官和組織的能力，能引導(dǎo)生物體生長出缺損的組織來。所以從理論上說，用絲材料制作供干細(xì)胞生長的模型非常理想。

動(dòng)物絲看上去是一種纖維，其實(shí)是一種蛋白質(zhì)。在蠶和蜘蛛的肚子中，絲原本是一種粘稠的膠狀物，吐出來后就變成了絲。令人驚訝的是，這些小動(dòng)物的“產(chǎn)品”在性能上遠(yuǎn)超人類文明的創(chuàng)造，工業(yè)化產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與它們媲美。

目前，有一種方法被稱為“重組”，其目的是用人工的方法制造出種類不同的“人造絲綢”。例如，研究者先將蠶繭煮沸，除去絲膠，把纖維還原成溶液。接下來，將“溶液”重新變成“絲”、“絲綢”，或者類似“海綿”或“泡沫”的東西。這種操作對蠶絲和蛛絲都適用，通過這種人工方法得到的新材料在未來的醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和光學(xué)等諸多領(lǐng)域里擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

戴維·卡普蘭是美國馬薩諸塞州塔夫茨大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師，他和同事們通過艱苦的實(shí)驗(yàn)獲得了一種利用蠶絲制造醫(yī)用植入物的方法。他們將絲膠從絲纖維中去除，將得到的絲蛋白溶解后加以冷凍，然后磨成直徑為30納米到1微米之間的粉末。

戴維·卡普蘭和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，可以通過壓塑成型的方法把這些粉末制造成非常堅(jiān)固的部件，這些部件在超過6400千克/平方厘米的高壓下成型，其結(jié)實(shí)的程度甚至優(yōu)于木材。戴維·卡普蘭指出，許多不同種類的醫(yī)用植入物都可以用粉末狀的蠶絲制成，包括用于固定骨折的螺釘，用于從受感染的耳朵里排除積液的小管道等。工程師們甚至可以在部件中添加酶，以確保它們在人體內(nèi)自然降解，這樣就不用術(shù)后移除了。

任何可以在體內(nèi)使用而不造成傷害的材料，都被科學(xué)家們描述為具有“生物相容性”。而蠶絲具有的生物相容性使它們還具有其他的優(yōu)勢，比如在壓塑成型的植入物中添加抗生素或者抗癌藥物。這些藥物會(huì)隨著時(shí)間的推移從植入物中慢慢釋放，這樣，患者就不需要頻繁地打針吃藥了。

同樣地，作為一種新型的材料，合成的蛛絲也在醫(yī)學(xué)上極具前景。蛛絲可以成為很好的縫合線、人工韌帶和眼角膜等。由于具備良好的可降解性，它們也可用于制作供干細(xì)胞生長的模型。在未來，合成的蛛絲材料還可以被用于制造汽車、飛機(jī)、防彈衣、滑翔翼、傳感器、各種磁性和導(dǎo)電元件等。合成蛛絲的應(yīng)用前景一定會(huì)越來越廣闊。

當(dāng)然，人們還有其他開發(fā)絲材料的方法。例如，利用遺傳工程學(xué)的方法將蜘蛛蛋白移植到蠶基因上，使蠶吐出具有蛛絲特性的絲，從而解決蛛絲產(chǎn)量少的難題。又有人曾嘗試將蛛絲蛋白移植到能夠大面積種植的土豆上來獲取成本較低的絲蛋白。

我們有理由相信，絲材料將成為未來材料大家族中的新寵，獲得越來越廣闊的應(yīng)用前景。