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行业动态

蚕丝,可以改变世界

更新时间:2015-07-22 12:08:38    点击次数:2935次

蚕丝,是一种可塑性强、透明、有机生物材料,在世界上,几乎找不到另外一种和它一样的材料了。

它与所有的生物都啮合,无论是皮下还是皮上。没有人知道是为什么,当将它移植进入充满水的身体时,你的身体就像看不到它一样。



看,一条蚕在吐丝!

这蚕抬起头不断以“8”字形摆动,它从头上的小孔中吐出一缕美丽的丝,黏结在蔟器上,再吐丝连接周围蔟枝,形成结茧支架。蚕吐出的丝足有一公里长,结成的蚕蛹非常坚硬,无论怎么挤压都不会变形。

但是这条蚕并不能完成它的整个生长过程,它的命运将和每年饲养的无数蚕虫中的大多数一样:蚕茧一旦完成,便被收割,浸泡,然后在水中散开。 每个农场里,只有很小部分的蚕可以继续发育成长,破茧而出,成为飞蛾。 这些幸运的少数,担负着向下一代传递它们秘密本领的任务:数千年来,怎样真正地制造出丝,只有蚕虫自己才知道。


强韧的丝蛋白质纤维

大约公元前2700年,养殖蚕虫在中国起源。直到公元三世纪,养蚕的秘密才被泄露。丝绸生产的瓶颈是养蚕。

在吐丝前,蚕需要一个月的生长期,期间要吃掉大量的桑叶。并且,蚕对生长环境要求极高,如果环境不适合,它们便不能吐丝。

但是,相对于蚕吐出的、具有自然界中最强大、最长蛋白质链的蚕丝来说,这些“小缺点”,简直不值一提。

在分子层面上,几种相互为邻、牢固连接、不断重复的氨基酸,连成一条长得令人难以置信的链,使得丝蛋白质纤维比钢铁牢固五倍,比凯夫拉纤维(一种用于防弹衣和其他身体装甲的人造布料)坚韧三倍。


利用基因原理“吐”丝

自1999年开始,科学家就提出了若干个不需要蜘蛛或者蚕虫,而单单依靠基因学的力量,廉价批量生产出丝的方法。

一群加拿大分子生物学家把解码出的产丝基因植入到山羊卵细胞中的奶基因旁边。这些卵细胞被受精、孕育,诞生出2002年闻名全球的山羊,山羊在其羊奶中产出了糖浆溶液状的丝。分子生物学家从溶液中提取丝蛋白,并且将其制成一种叫做“生物钢”的产品,这是世界上第一种“转基因”材料。

韩国人尝试把丝基因放到大肠杆菌里面。大肠杆菌是分子生物学的最爱,因为它有简单的基因组,对于实验室环境的要求较低,且易于操纵,便用于制造想要的丝蛋白质纤维。通过移植蜘蛛的DNA到大肠杆菌里,韩国科学家们培养出了一组能在不到一天的时间里合成出丝蛋白质的细菌;再经过两天多的提炼,就能生产出液态的丝;最终,经过三天的工作,这项技术便能够生产出丝。这一过程,比传统的蚕养殖时间缩短了近十倍!

德国人用转基因烟草和土豆来生产丝蛋白。因为像种子和茎之类的植物器官,可以作为理想的转基因蛋白质的存储容器。

无论最终将在山羊乳房中产生丝,还是在转基因烟草或在大肠杆菌培养皿产生丝,有一点可以确定的是,蚕儿想“垄断”产丝行业的想法,最终将会终结。


丝的另类新用

一种新的以丝为主体的技术已经在改变医疗保健领域。

几年前,美国塔夫茨大学的科学家研制的丝组织支架是这些技术中第一个获得美国食品及药物管理局许可的,目前这项技术已经投入市场。这种支架由海绵状的丝制成,外表和感觉都极像人类组织。在创伤手术中移植这种支架,可以支撑或者重建受伤的韧带、肌腱和其他组织。而由于其生物兼容特性,丝支架会在一段时间后降解融入周围的组织之中。

丝的强度使其可以同时用于解决另一个健康问题。

在现阶段,许多药物的有效运送要求运输过程需持续恒温的冷藏。然而,运送的许多环节常常会缺乏足够的资源(比如电力和冷藏车)来保持冷藏链的有效运行,结果导致每年约有四百万人因为抗生素和疫苗过热、凝聚失效而死于可预防的疾病。

但是混合在丝胶囊中的药物是很稳定的,它们不会凝聚并且可以不需冷藏便可保持多年的化学活性。当丝—抗生素胶囊到达病人的所在地时,即便是非洲的某一个小村落,这些药物也能够很简单地在一杯水中溶解并被病人服下。目前,这项药物保存的新技术已经处在最终的测试阶段,很快便可以投入市场。


有机光学的丝

在丝的帮助下,一个新的领域被建立了起来:光学探测器、监控器、生化传感器以及超材料可以直接植入人体,来发送和接收来自外部世界的信息。

伊利诺大学的博士们已经创造出可以直接植入皮肤来检测血液中葡萄糖含量的光学丝传感器。这种带有微型天线的传感器最终可以传达准确的身体信息到外界,例如通过短信。

他们还在创造一种被黄金纳米粒子填充了的丝凝胶,一种会在绿光下产生共振并升高到极高温度的小球体。这种凝胶可以被植入人体的肿瘤生长部位。收到外界的照明信号之后,通过一个简单的绿色激光棒,纳米粒子产生的共振会使可降解的丝凝胶溶解,进而“烤熟”肿瘤。

但并不是所有丝的生物医学应用都是高科技的。只要丝变得足够便宜,它还可能取代以石油为原料制造的塑料。水瓶、食品塑料袋、玩具、圆珠笔……所有这些东西最终都可以用可降解的丝而非高分子合成物制造。这些产品的制造将是完全绿色的,因为它只依赖水,并且可以根据需要来改变形态和用途。

①将蚕茧煮沸,然后提取丝蛋白。

②丝类支架可以被用作组织工程学领域的细胞基质,它能提供细胞生长所需的立体环境。

③丝蛋白胶体可以用于药物输送、细胞封装、组织修复以及整形外科手术。

④将丝蛋白溶液涂在旋转卷筒上,可以对图案、管开孔率以及复合特性进行控制。

⑤通过在丝膜上生成复杂结构和沉积金属做成的特异材料感应器能在体内对人体健康进行监控。

(编辑:小语)