天然蜘蛛丝仿生材料.ppt
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1、天然蜘蛛丝仿生材料,15 组成员:程建秀 陈彤 蔺杰 李维汉 卢秀芳 刘孝武 麦锡源 于杏杏 殷小丰 邹邦坤 曾林超 翟向伟,SW Cranford et al.Nature 482,72-78(2012),一、天然蜘蛛丝介绍1.1、天然蜘蛛丝的组成与结构1.2、蜘蛛丝的特点与应用二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料 2.1、蛋白基因仿生生物表达法 2.2、链段及二次结构仿生化学合成法 2.3、微观结构仿生物理复合法 2.4、金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性三、天然蜘蛛丝仿生学与仿生材料的展望,目录,1.1 天然蜘蛛丝的组成与结构,自然条件下,蜘蛛网主要由捕捉丝、径向丝以及圆周丝三种类型的丝构成,捕
2、捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成,而径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶腹腺中合成,蜘蛛的腺体液离开腺体后经过脱水固化为蛋白纤维。,Randolph V.Lewis,Chem.Rev.2006,106,3762-3774,一、天然蜘蛛丝的介绍,1.1 天然蜘蛛丝组成与结构,Sinan Keten,Zhiping Xu,et al,Nature Materials,9,359367(2010),通过研究人员的结果分析,蜘蛛丝的蛋白结构中具有结晶及非结晶结构,其中紧密的结晶折叠(由氢键相连)被松散的非结晶次级结构所连结,前者增加了蜘蛛丝的物理强度及硬度,后者增加了蜘蛛丝的延展性。,天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝
3、腺体分泌的一种天然蛋白生物材料,属于一种生物弹性体纤维,它是自然界产生最好的结构和功能材料之一。表1列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能,通过比较可以发现,天然蜘蛛丝优良的综合性能,特别是其高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能180MJ/m3为各材料中最高)是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。,1.2 蜘蛛丝的特点与应用,刘全勇,江雷.仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料J.高等学校化学学报.2010.6(31):10651071,高强度,强延展性,比重小,耐低温,高韧性,可降解性,1.2 蜘蛛丝的特点与应用,二、天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料,蜘蛛属肉食性动物
4、,不喜群居;再将一定数量的蜘蛛饲养在一起时,蜘蛛之间会相互撕咬,则无法像养家蚕一样饲养蜘蛛获得大量的蜘蛛丝;并且由于蜘蛛本身腺体较多,不同腺体产生的丝性能不同,无法得到单一性质的蜘蛛丝。另外,由于天然蜘蛛丝难以加工成为其他的特定形状以供不同用途所需,则应用范围收到极大限制,因此需要寻求新的方法和途径来获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料。其中,利用仿生学原理,通过研究蜘蛛丝的结构和功能,来人工合成蜘蛛丝仿生材料是其中很重要的途径。,Heim M.,Keerl D.Scheibel T.,Angew.Chem.Int.Ed.,2009,48(20),3584-3596,蜘蛛丝仿生思路,蛋白基
5、因仿生生物表达法,链段及二次结构仿生化学合成,微观结构仿生物理复合法,金属元素仿生渗透注入法蜘蛛丝改性,2.1 蛋白基因仿生生物表达法,Lewis R.V.et al.,Protein Exp Purif,1996(7):400-406.,在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上,通过构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因,然后采用生物工程信息技术手段,将这些蛋白基因寄托于某种生物载体(微生物、植物、哺乳动物、家蚕等)进行表达并生产,从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料,然后将蛋白质原料经过特殊的纺丝程序,放出人工蜘蛛丝。,微生物作为载体进行基因表达,收集菌体通过超声波破碎法裂解,
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