مقالات

ابریشم عنکبوت

ابریشم عنکبوت

(Spider silk)

ابریشم عنکبوت یک لیف پروتئینی است که توسط عنکبوت تنیده می شود. عنکبوت ها از ابریشم خود برای ساختن شبکه ها یا دیگر ساختارهایی استفاده می کنند که عملکرد این شبکه ها توری شکل چسبناک به دام انداختن دیگر حیوانات، محافظت از فرزندان و یا گرفتن طعمه است. عنکبوت ها از تارهای ابریشم خود به منظور آویزان کردن خود ، شناور شدن در هوا و یا دور شدن از شکارچیان نیز استفاده می کنند. نکته جالب توجه اینکه این حشرات اغلب ضخامت و میزان چسبندگی تارهای ابریشم خود را بر حسب نیاز تغییر می دهند. در برخی موارد، عنکبوت ها حتی ممکن است از ابریشم خود به عنوان یک منبع غذایی نیز استفاده کنند.

تمامی عنکبوت ها قادر به تولید ابریشم هستند و یک عنکبوت می تواند بیش از هفت نوع مختلف ابریشم برای مصارف مختلف تولید کند. این در حالی است که دیگر حشرات همچون کرم های ابریشم تنها قادر به تولید یک نوع ابریشم هستند. از ابریشم عنکبوت در بسیاری  از روش های زیست محیطی می توان استفاده کرد که هرکدام دارای خواص مطابق با عملکرد ابریشم هستند.

 

 

خواص الیاف ابریشم عنکبوت

الف) خواص مکانیکی

هر عنکبوت و هر نوع ابریشم دارای مجموعه ای از خواص مکانیکی بوده که برای عملکرد بیولوژیکی آن ها بهینه شده است. بیشتر ابریشم ها، به ویژه ابریشم های کشویی، دارای ویژگی های مکانیکی منحصر به فردی هستند. این ابریشم ها ترکیب منحصر به فردی از استحکام کششی بالا و انعطاف پذیری را از خود به نمایش می گذارند. این خصوصیت به الیاف ابریشم اجازه جذب مقدار زیادی انرژی قبل از شکستن یا گسستن (سختی، ناحیه زیر منحنی تنش -کرنش) را می دهد.

 

 منحنی تنش کرنش الیاف ابریشم عنکبوت و الیاف کولار

یک نکته حائز اهمیت در مورد الیاف ابریشم عنکبوت این است که نباید سختی و استحکام ابریشم با یکدیگر اشتباه گرفت. به عنوان مثال الیاف ابریشم عنکبوت بسیار قوی تر از فولاد بوده اما از کولار قوی تر نیستند. با این حال ابریشم از هر دو این مواد سخت تر است.تنوع خواص مکانیکی الیاف ابریشمی عنکبوت بسیار مهم بوده و این مربوط به درجه ی تراز ی مولکولی آن است. خواص مکانیکی این الیاف به شدت به شرایط محیطی، یعنی رطوبت و دما وابسته است.

 

 

استحکام

استحکام کششی یک لیف ابریشم با فولاد های آلیاژی مرغوب (۴۵۰-۲۰۰۰ مگا پاسکال) و حدود نیمی از استحکام کششی فیلامنت های آرامیدی  همچون تارون (Twaron) و کولار (۳۰۰۰ مگا پاسکال) قابل مقایسه است. در سال ۲۰۱۸، یک نانو لیف تهیه شده از چوب سختی کششی حدود هشت برابر بیشتر از استحکام کششی ابریشم را به دست آورد.

چگالی

عموماً الیاف ابریشم عنکبوت متشکل از پروتئین، از تراکمی در حدود یک ششم تراکم فولاد برخوردار هستند (g/cm3 3/1). این بدان معنی است که یک رشته طولانی از این الیاف به طول محیط کره زمین، وزنی کمتر از ۵۰۰ گرم دارد.

سختی

فاکتور سختی، ترکیبی از استحکام و انعطاف پذیری است و می توان گفت که الیاف ابریشم عنکبوت از سختی یا به عبارت دیگر کار تا حد پارگی بسیار بالایی برخودار هستند. مقدار سختی این الیاف برایر فیلامنت های پلی آرامید تجاری (نایلون آروماتیک) است که خود معیاری از تکنولوژی الیاف پلیمری هستند.

دما

در حالی که بعید به نظر می رسد که این ویژگی مرتبط با ماهیت الیاف ابریشم عنکبوت باشد، اما این الیاف می توانند استحکام خود را از کم تر ۴۰- درجه سانتی گراد و بالاتر از ۲۲۰ درجه سانتی گراد حفظ کنند. همانگونه که در بسیاری از مواد نیز اتفاق می افتد، الیاف ابریشم عنکبوت نیز  حالت گذار شیشه ای را متحمل می گردند. دمای گذار شیشه ای به رطوبت بستگی دارد.

انقباض فوق العاده

الیاف ابریشم هنگامی که در معرض آب قرار می گیرند، انقباض بسیار بالایی را متحمل شده ، به گونه ای که طول آن در حدود ۵۰% کاهش یافته و همچون یک لاستیک ضعیف تحت کشش رفتار می کنند.

بالاترین عملکرد

سخت ترین ابریشم عنکبوت شناخته شده ، توسط گونه ای عنکبوت با نامDarwin’s bark spider تولید می شود. سختی الیاف ابریشم خرد شده به طور میانگین برابر MJ/m3350 بوده و در برخی نمونه ها به MJ/m3520 نیز می رسد.

انواع الیاف ابریشم عنکبوت

بسیازی از گونه های عنکبوت دارای غده های مختلفی برای تولید ابریشم با خواص و ویژگی های متفاوت و متناسب با کاربردهای ویژه ای از جمله ساخت خانه، ساخت شبکه ای از تار عنکبوت، دفاع، به دام انداختن طعمه، حفاظت از تخم ها و حرکت کردن هستند. برخی از ابریشم ها نیز به طور ویژه برای کاربرد خاصی به وجود آمده اند؛ به عنوان مثال عنکبوت دارای پنج نوع ابریشم مختلف است که هر کدام برای مصارف ویژه ای مورد استفاده قرار می گیرند.

 

 

بیوسنتز یا ریسیدن لیف ابریشم عنکبوت

فرایند تولید ابریشم به ویژه ابریشم عنکبوت نسبت به دیگر مواد بیولوژیکی لیفی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. این الیاف بر حسب نیاز از پیش ماده ابریشم مایع خارج شده از غدد عنکبوت ریسیده می شوند. فرایند ریسندگی زمانی اتفاق می افتد که یک لیف از بدن عنکبوت به وسیله پاهای عنکبوت ، به واسطه سقوط عنکبوت و با استفاده از نیروی وزن و یا توسط انسان به طرف بیرون کشیده می شود. واژه “ریسیدن” برای این فرایند واژه گمراه کننده ای است زیرا هیچ چرخشی برای هیچ یک از اجزاء رخ نمی دهد، اما به سبب شباهت بسیار زیاد با چرخ های ریسندگی نساجی این اصطلاح به کار برده می شود.  تولید ابریشم یک فرایند شبیه به اکسترود کردن اما با ظرافتی زیاد است که در آن به جای اینکه الیاف در یک مخزن فشرده شوند، نیرویی تا زمان اتمام الیاف،  آن ها را واردار به کشیده شدن می کند.

کاربرد الیاف ابریشم عنکبوت

یکی از ویژگی های بسیار بارز و جالب توجه الیاف ابریشم عنکبوت، استحکام بسیار بالای آن ااست به گونه ای که می توان اظهار کرد که این الیاف از فولاد هم محکم تر هستند. با وجود این، این الیاف در مقایسه با فولاد بسیار سبک و انعطاف پذیر است. از این رو برخی آن را فولاد زنده نامیده‌اند. این تارها آن قدر محکم هستند که می‌توان از آن ها توری ساخته و با آن یک بوئینگ ۷۴۷ را متوقف کرد و در عین حال، آن قدر سبک و انعطاف پذیر است که می‌توان از آن لباس تهیه کرد. بنابراین، حوزه های کاربردی این الیاف بسیار گسترده هستند.

کاربرد الیاف ابریشم عنکبوت  در پزشکی

به دلیل محکمی و در عین حال انعطاف پذیری، می‌توان از آن برای تهیه نخ جراحی، زردپی ، رباط مصنوعی و دستکش‌های جراحی بهره برد. تار عنکبوت نقش ضد عفونی کننده و پانسمانی نیز دارد. زیرا عنکبوت برای حفاظت تار پروتئینی خود در برابر باکتری و قارچ‌ها، تارش را به مواد ضد باکتری و ضد قارچ آغشته می‌کند. از این رو می‌توان از آن برای پانسمان زخم استفاده کرد. همچنین این تارها یک منبع غنی از ویتامین K بوده که به لخته شدن، ترمیم و بهبود زخم کمک می کنند.

کاربرد الیاف ابریشم عنکبوت  در صنعت

*     تولید طناب‌های بسیار محکم برای کوهنوردی، چتر نجات؛

*     تولید تورهای ماهیگیری محکم؛

*     تولید لباس غواصی مقاوم در برابر کوسه‌ها؛

*     تولید لباس ضد گلوله؛

*     تولید کلاه ایمنی.

 

 

 

تولید لباس با استفاده از الیاف ابریشم عنکبوت

با توجه به دشواری فرایند استخراج و پردازش  مقدار قابل توجهی از ابریشم عنکبوت، بزرگترین قطعه پارچه شناخته شده از ابریشم عنکبوت در حدود ۴*۱۱ فوت (۵/۱*۴/۳ متر) بوده و در سال ۲۰۰۹، در ماداگاسکار در ساخت لباسی به رنگ طلایی مورد استفاده قرار گرفته است.

 

 

فرایند تولید این منسوج به قدری دشوار بوده است که هشتادو دو نفر به مدت چهارسال برای جمع آوری یک میلیون عنکبوت اورب طلایی و استخراج ابریشم از آن ها تلاش کرده اند. این لباس در موزه تاریخ طبیعی آمریکا نگهداری می‌شود.

  

عنکبوت اورب طلایی

مزایای تار عنکبوت هنوز چندان شناخته شده نیست. اما این حشره همواره مورد توجه محققان بوده و تحقیقات بسیار زیادی پیرامون کاربرد الیاف ابریشم عنکبوت صورت گرفته است. توسعه روش های تولید ابریشم عنکبوت به طور گسترده ای باعث ساخت کالاهای نظامی،کفش ورزشی، محصولات مراقبت شخصی، ایمپلنت سینه و پمپ های انسولین مکانیکی، لباس های فشن و لباس های دیگر مورد استفاده قرار گرفته است.

از مطالب ذکر شده نتیجه گیری می گردد که با توجه به کاربردها و فواید بسیار زیاد این الیاف، محققان در پی یافتن روشی برای تولید این الیاف به صورت مصنوعی هستند.

تولید الیاف ابریشم عنکبوت مصنوعی

تارهای در هم بافته‌ای که عنکبوت برای به دام انداختن شکار و طعمه خود ایجاد می‌کند را باید به جرات یکی از شاهکارهای مهندسی در طبیعت دانست. وجب به وجب تار عنکبوت قادر است تا حجم عظیمی از انرژی را بدون از هم پاشیدن دریافت کند. تار عنکبوت از فولاد قویتر است، در حالی که انعطاف و کشسانی بیشتری نیز نسبت به لاستیک دارد. اکنون دانشمندان موفق شده‌اند تا ترکیبی از تار عنکبوت مصنوعی و حاوی بسیاری از خواص ماده طبیعی را بسازند.

 گفتنی است این اولین باری نیست که محققین به تولید تار عنکبوت مصنوعی اقدام می‌کنند، اما در دفعات پیشین، تولید انبوه و در حجم وسیع محصول نهایی ممکن نبود. اکنون محققین می‌توانند در مقیاسی وسیع تار عنکبوت مصنوعی به دست آمده را تولید کرده و در اختیار صنایع مختلف به منظور استفاده‌های گوناگون قرار دهند.

تلاش برای ساخت تار عنکبوت مصنوعی شبیه به ماده واقعی فعالیت تازه‌ای نیست. به عنوان نمونه در سال ۲۰۱۰، بنیاد ملی علوم ایالات متحده آمریکا در یک پروژه سرمایه‌گذاری کرد تا با استفاده از مهندسی ژنتیک شیر بز، اقدام به تولید تار عنکبوت مصنوعی و ماده‌ای شبیه به آن کنند. دیگر پروژه‌هایی نیز طی مدت زمان اخیر ایجاد شدند، اما مقصود نهایی آن‌ها به جای تولید تار عنکبوت مصنوعی ، در تولید انبوه پروتئین موجود در آن با نام اسپیدروئینس (Spidroins)در مخمر، باکتری و سلول‌های حشرات متمرکز شده بود.

 

در سال ۲۰۱۵ دانشمندان در یک مجله بیومتریال گزارش دادند که از اسپیدروئینس به دست آمده از بزهای تراریخته، برای هماهنگ‌سازی سلول‌های مغزی در حال رشد استفاده کرده‌اند. از آنجایی که عنکبوت‌ها اقلیمی بوده و به میزان کمی تار تولید می‌کنند، هر محصول صنعتی نیازمند به استفاده از تار عنکبوت، به اسپیدروئینس داراى صفات ارثى متشکل جدید و همچنین الیاف ابریشم (تار) عنکبوت مصنوعی وابسته است. با این حال، اسپیدروئینس‌ مهندسی و ساخته شده پیشین، از نظر بسیاری از فاکتورها با اسپیدروئینس موجود در تار عنکبوت یافت شده در طبیعت قابل مقایسه نبود.

پروتئین‌های تار عنکبوت مصنوعی ساخته شده به دست بشر، علاوه بر داشتن غلظت و تراکم پایین، به میزان بسیار بسیار کمی ایجاد می‌شدند، به همین دلیل استفاده از آن‌ها به صورت انبوه در صنایع مختلف به هیچ عنوان امکان‌پذیر نبود. آن‌ها همچنین به هم چسبیده و جداسازی‌شان با مشکلاتی مواجه بود، علاوه بر اینکه به سختی به صورت محلول در مایعات درمی‌آمدند. تار عنکبوت مصنوعی ایجاد شده در آزمایشگاه، در حالت ابتدایی خواص فیزیکی پایینی داشت و برای افزایش قابلیت‌های آن، محققین ناچار بودند تا مجددا اعمالی را بر روی تار عنکبوت مصنوعی ابتدایی انجام دهند.

 در تحقیقات صورت گرفته بر روی ساختار بدن عنکبوت، مشخص شد این موجود به صورت طبیعی، تار را در مجراهای مخصوصی در بدن خود تولید می‌کند. نکته مهم اینجاست که (pH)  یا همان میزان اسید ماده، در طول غدد تولید تار متفاوت بوده و به صورتی بسیار آرام از ۶/۷ (ازدیاد بار منفی یون‌های موجود) تا ۷/۵ (ازدیاد بار مثبت یون‌های موجود) تغیر پیدا می‌کند. تغییر در میزان pH ، سبب می‌شود تا پروتئین‌ها در انتها تغییر شکل پیدا کرده و به ساختاری مرتب همانند یک قفل درب در هم چفت شده در بیایند.

در همین زمان، مجرایی که در بالای خود کمی شبیه به یک مغز چین و چروک دیده به نظر می‌رسد، به یک لوله باریک تبدیل شده و نیروی خالص موجود در آن، الیاف را به رشته تبدیل می‌کنند. به همین دلیل شاهدیم که تار عنکبوت همواره به صورت یک رشته بسیار نازک تولید شده و سپس موجود با ترکیب این رشته‌ها، ساختارهای بزرگ و کوچک مورد نظرش را می‌سازد.

محققین به این فکر فرو رفتند که شاید تقلید ساختار و عملکرد غدد تولید تار در بدن عنکبوت، به بهبود وضعیت محصول نهایی کمک کند. گفتنی است محققین طی مطالعات خود، به این نتیجه رسیدند که پروتئین بخش‌های مختلف تار عنکبوت‌های گوناگون، پ هاچ‌های متفاوتی داشته و از نظر قابلیت حل‌شدن در مایعات نیز عملکرد غیر یکسانی دارند. با توجه به این موضوع، محققین تصمیم گرفتند تا ژن‌های اسپیدروئینس (پروتئین موجود در تار عنکبوت) گرفته شده از دو گونه متفاوت از عنکبوت را با یکدیگر ترکیب کرده و به این وسیله یک ژن هیبریدی (دو رگه) با نام NT2RepCT تولید کنند. NT2RepCT را باید یک پروتئین کاملا متفاوت دانست که بهترین خواص را از هر یک از دو نمونه اسپیدروئینس موجود به ارث برده است. NT2RepCT شدیدا حلال در مایعات بوده و حساسیت بالایی را نسبت به پ هاچ نشان می‌دهد. آن‌ها ژن هیبریدی تولیدی را در درون دی ان ای(DNA) باکتری وارد کردند تا به این وسیله به ساختار پروتئین جدید و مورد نظرشان به منظور ایجاد تار عنکبوت مصنوعی دست پیدا کنند.

 در نتیجه این اقدامات، پروتئین تار عنکبوت بسیار غلیظی به دست آمد که همانند پروتئین موجود در داخل تارهای تولید شده در غدد طبیعی، ابری و چسبناک بودند. در ادامه محققین با الهام گرفتن از ساختار بدن عنکبوت، ماده به دست آمده را از یک ظرف شیشه‌ای بسیار نازک و مویرگی عبور دادند تا به این وسیله فشار خالصی را که عنکبوت در بدن خود به الیاف برای تبدیل‌شدن به رشته وارد می‌کند، به صورت مصنوعی تقلید کنند. در نتیجه این فرآیند، هزار متر تار در قالب یک ظرف یک لیتری تولید شد. ژن NT2RepCT از لحاظ کیفیت و رفتار، تشابه زیادی به تار عنکبوت طبیعی داشته و تار عنکبوت مصنوعی تولید شده با آن، خاصیت ارتجاع بالایی را از خود به نمایش می‌گذارد. گفتنی است با وجود تشابه بالای تار عنکبوت مصنوعی ، دوام و مقاوت کششی آن هنوز در مقایسه با محصول طبیعی تولید شده در بدن عنکبوت پایینتر بوده و راحت‌تر از آن می‌شکند.

منابع:

۱٫     https://en.wikipedia.org

۲٫     http://gadgetnews.net

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *