港研人造蜘蛛丝 强韧兼具形状记忆(图)
发布 : 2025-1-20 来源 : 明报新闻网用微信扫描二维码，分享至好友和朋友圈
明报记者 薛伟杰
丝特科技有限公司（S3Tough Tech）共同创办人、城市大学生物医学工程学系智慧纺织讲座教授胡金莲表示，她们早于2012年开始研究天然蜘蛛丝的韧性及其形状记忆特性。到2014年，她们利用转基因技术，透过细菌作载体，仿制出蜘蛛丝蛋白质。只不过对于细菌而言，蜘蛛丝蛋白质乃相当大的分子，要让细菌直接产生蜘蛛丝蛋白质很困难。为此，需要在保留原始特性的基础上，修改蜘蛛丝蛋白质的氨基酸序列，实际操作相当复杂。而且这项技术最大缺点是生产效率低，成本很高，不太具备商业化条件。
弃基因技术 改仿生化学合成
因此，她们后来改为使用「仿生化学合成」（Biomimetic Chemical Synthesis）技术，并在2019年造出了类蜘蛛丝蛋白质高分子材料，兼且纺成人造蜘蛛丝。仿生化学合成是模仿生物体内的反应和天然物结构的合成过程，有别于普通化学合成。它可以简化合成步骤，提高合成效率；或可获得活性更高或相近、但更容易制造的新化合物。
这里先简单了解氨基酸、多?、蛋白质三者的关系。氨基酸是生物学上很重要的有机化合物小分子，是构成蛋白质的最基本单位。多?（Polypeptide）是由多个氨基酸连接组成的短链，又称为「?链」，可以说是蛋白质的前体或组成部分。至于蛋白质，则是由多个多?（多条「?链」）多级摺叠、卷曲等构象变化形成的具有复杂立体结构的生物大分子。
她们发觉，透过选择合适的氨基酸，当一个多?由不到7个氨基酸组成时，只会有晶体结构。当一个多?由超过15个氨基酸组成时，只有螺旋结构。若一个多?由7至15个氨基酸组成，就同时包含晶体和螺旋结构。这时，它的韧性（Toughness，韧性的定义是指一种材料在断裂之前所能吸收的能量与其体积的比例）就会十分高。受外力作用时，透过拉伸变形来吸收能量而不断裂的能力很高，就像天然蜘蛛丝般。
韧性超过所有天然蜘蛛丝
实际上，天然蜘蛛丝也有多种。当中有些韧性较低，如Dragline Silk的韧性只是180MJ/m3。最强韧的Aciniform Silk的韧性达到376MJ/m3。至于她们现时使用仿生化学合成技术研制出来的人造蜘蛛丝，韧性已达到387MJ/m3，超过了最强韧的天然蜘蛛丝。若比较不同线材的「断裂比强度」（断裂拉力/每单位长度的重量），大量应用于制造避弹衣的凯夫拉（Kelvar）纤维无疑很高，钢线亦不错，而人造蜘蛛丝则略低于钢线，差别不大。但若比较「断裂拉伸幅度」，人造蜘蛛丝则理想得多，因为它可以拉长超过50%才断裂。而凯夫拉纤维和钢线都比较脆弱，拉长几个百分点就会断裂。
用途广泛 可制安全带钓鱼丝服装等
加上人造蜘蛛丝的密度很低、重量很轻，所以胡金莲预料，其应用范围将很广泛，包括：安全带、钓鱼丝、高空工作安全绳、牵引绳、拦阻索、避弹衣（其中一层），以及日常服装等。甚至有可能将人造蜘蛛丝和碳纤维结合制成复合材料（因碳纤维强度高，但比较脆），再用来制造汽车、飞机、航天设备的结构件。
另外，人造蜘蛛丝还具有形状记忆特性，视乎应用要求，既可以设计成在外力消失之后，即时回复原来的形状；也可以设计成「智能温度响应」或者「智能湿度响应」。后两者的意思是，当温度或湿度出现某程度的变化，人造蜘蛛丝的长度就会改变。不过，形状记忆的相关技术和应用方式比较复杂，还需要较多时间研究和测试。胡金莲透露，现时的人造蜘蛛丝的极限是，只要拉伸幅度在大约50%以内都可回复原状，将来这个极限有可能提高到拉长一至两倍。
每公斤成本料约5美元
她又指出，以往曾经有一些美国、德国、日本的公司试产人造蜘蛛丝，但由于都是采用基因工程技术，它们的产品每公斤价格高达大约300美元（约2340港元）。结果，短时间之后就无人问津。丝特科技的人造蜘蛛丝则改用仿生化学合成技术来制造，故生产成本不会很高。她估计，每公斤的生产成本大约只是5美元。
现时，她们乃使用氨基酸加上一些化工原料作为原材料，当中后者不可降解。她希望，3年后商业量产时，可以改用能够自然降解的化工原料，甚或其他氨基酸来代替，令该公司的人造蜘蛛丝变成可以完全自然降解。