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蜘蛛献给人类的礼物

2016-06-23 08:17 来源:科技日报

一家日本公司Spiber制造的仿蛛丝服装

  蛛丝是一种非凡的材料,虽然极其柔软,但一磅蛛丝与一磅钢材对比,蛛丝强度远远超过钢材。蛛丝被吐出时是一种液体蛋白,很快凝结成固体,被织成多种结构的网。蜘蛛织网不仅效率高,而且耗能少,许多蜘蛛能反复吃掉旧网,吐出新丝来对它们进行翻新。

  牛津大学动物学家弗里茨·沃莱斯研究蜘蛛已有40年了,他希望造出具有蛛丝般神奇性能的丝,用在医疗护理、移植和再生医学领域,更好地服务于人类。早在1976年,沃莱斯发表了第一篇关于蜘蛛的论文,随后又发表了一系列突破性研究,探索蛛网的独特性质和功能。为了实地研究更多蜘蛛,他跑遍了世界,包括巴拿马群岛和巴布亚新几内亚,跟踪具有罕见特性的外来物种。

  自古希腊开始,人们就有用蛛网清理伤口的传统,认为这样能止血,预防感染。沃莱斯对这种做法进行了实验。他们用蛛网贴缚在多种动物伤口上,发现蛛丝能和组织完美地融合在一起。

  沃莱斯说:“蛛丝天然具有生物相容性,所以伤口并不排斥它。”蛛丝还能生物分解,这表明缚在伤口上的蛛丝是随着伤口愈合被组织吸收了。“即使是从蛛网上取下来的不太干净的丝,也有愈合伤口的功效,不需要事后除去它们。”

  借蛛丝密码合成新材料

  沃莱斯对蛛丝成分进行分析后发现,蛛丝蛋白有着独特的排列模式,这种特殊蛋白质结构是高强度和韧性的源头,使其能抵抗压力和变形。沃莱斯发现,金圆织网蛛(Golden Orb Weaver spider)能吐出7种不同类型的丝,各有不同用途,其中用于悬挂的牵引丝强度最高。以这种牵引丝为模型,有望开发出一种新的生物医学移植体,拥有蛛丝那样的超高强度和承受力,作为传统移植体的替代品。

  但沃莱斯指出,这要解决生产供应的问题。因为要大量制造蛛丝是不可能的,蜘蛛是食肉族,无法大规模饲养,麻醉它们一次也只能抽取一根丝。为此,他们把目标转向了蚕丝。人类养蚕生产丝绸制品已有5000多年历史,通过工业化饲养,每年生产的蚕丝可达15万吨。但美中不足的是,蚕丝的强度不如蛛丝,还含有一种有毒的胶,用于医疗手术并不理想。

  沃莱斯成为牛津大学丝集团总裁后,发现了一种野生的蚕,吐出的丝和蛛丝蛋白结构很相似。他对这种蚕丝蛋白进行了基因测序,并与蜘蛛牵引丝的蛋白结构进行了对比,然后将蚕丝溶解,除去其中有毒的胶,再重组为一种高强度的清洁材料,命名为Spidrex(蛛蚕丝)。丝集团的这一成果吸引了大量商业人士的兴趣,为此沃莱斯创立了牛津生物材料纺织公司,开发蛛丝的商业化应用。

  蛛丝制品走进手术室

  在美国,每年有60万例膝盖手术,成本高达130亿美元,这一数字预计还会大幅度上升。目前的塑料软骨移植物效果并不好,甚至有些最后不得不取出来,因为带来了严重的并发症。沃莱斯开始实验能否用蛛蚕丝制造人工骨骼、敷布和缝线,最后发现,它很适合作为膝盖替代物。

  丝集团创立了第二家子公司Orthox公司,用蛛蚕丝来制造一种延展性材料,再塑造成替换用的膝盖软骨结构,还可用作生物相容性支架,支持组织再生。沃兰斯说:“细胞用它作为一种支架,随着支架逐渐分解,细胞长进去填充了新的软骨,重新恢复原有强度。”研究人员的设想是,在5年内造出能替换原来软骨的移植物。

  目前这种移植体尚处于临床实验半途,沃莱斯对目前的进展感到满意。他说:“患者和医生都会很高兴,相信到2018年,这种移植物就能普遍供应了。他们另一家初创子公司Neurotex还开发出一种用于周边神经修复的支架,正在试验中。团队希望将这种支架用于中枢神经系统,帮助逆转因严重脊髓损伤而造成的瘫痪——这是另一个迫切需要更多选择的领域。

  医疗移植进入“丝时代”

  以蛛丝和转基因蚕丝为基础的医疗领域充满了各种可能,几乎每天都有论文发表,探索丝材在再生医学中的应用。世界各研究团队正在利用一系列创新技术开发新型材料。比如,把蜘蛛DNA插入山羊体内产生转基因羊毛,甚至插入酵母菌,让人们能用酵母菌纺丝。

  丝材料可用在缝合、支架和移植中,大量移植体可以用这种生物医学材料来替代。韩国组织工程与再生医学学会秘书长Insup Noh教授说:“在许多医疗程序中,使用真丝将成为标准规程。真丝材料已被批准用作生物原料,与其他新出现的聚合生物材料相比,这是个很大的优势。”

  目前,丝集团和沃莱斯的团队正在研究自行车头盔、飞机板和军队制服,同时他们还在研究蜘蛛为何能以超高效率吐丝织网,以改进工业制造。随着合成蛛丝衣物越来越受欢迎,它还可作为一种新型的污染传感装置。

  经过40年的快速发展,沃莱斯觉得目前的研究还只在表面。“蜘蛛在自然界已经生存了几百万年,我们能从它们那里学到的东西太多了。”

(责任编辑:王蔚)

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