11月29日，《Nature Communications》發布了一項來自蘇州大學的仿生材料的重要研究，題為Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties，通過濕法紡絲技術，以蜘蛛絲的多級有序結構為靈感，團隊制備出具有蜘蛛絲般優異性能的水凝膠纖維。論文通訊作者為蘇州大學現代絲綢國家工程實驗室汪曉巧教授。

為何要模仿蜘蛛絲？

蜘蛛絲并非只是一種結網的絲線，而是億萬年來進化出的精密工程材料。它既堅韌又強韌，還能彈性恢復，甚至能感知濕度變化而收縮。

這些超凡特性源自蛛絲的多級有序結構，在顯微鏡下，蜘蛛絲蛋白形成一種精妙的鋼筋混凝土式結構：

1. 堅硬的β-片層納米晶體（像鋼筋）：通過氫鍵緊密排列，提供強度和剛度。

2. 柔軟的蛋白質無序區（像混凝土）：賦予纖維彈性和延展性。

3. 納米團簇與取向的微纖：形成多級能量耗散機制，在受沖擊時通過多層級結構逐步化解外力，避免瞬間斷裂。

這些特性使其成為理想的仿生模板。然而，如何用人工材料和經濟的方法復刻這種復雜結構，尤其是通過可規模化的纖維制造工藝來實現，一直是巨大的挑戰。

a：天然蜘蛛絲擁有精妙的多級結構，是性能奇跡的藍圖；b：研究人員模仿這一過程，通過“濕法紡絲”形成初生纖維，再經“后拉伸”進行結構編程

從蜘蛛吐絲到實驗室紡絲

蘇州大學的團隊在深刻理解了蜘蛛絲的結構后，以其為靈感來源，成功開發出可操作的化學與工程策略。

關鍵仿生策略一：用氫鍵網絡模擬“自然鋼筋”

蜘蛛絲依靠氫鍵形成堅固的β-片層晶體。團隊選擇兩種富含氫鍵基團的高分子——聚丙烯酸鈉（PANa，含羧酸根）和聚丙烯酰胺（PAM，含酰胺基）。當它們在特定條件下混合時，羧酸與酰胺之間會形成密集的氫鍵網絡，自發組裝成納米團簇。這就像用化學方法在材料內部構建了無數微小的“樂高連接點”。

通過精確調控紡絲膠體的酸堿度（pH值），他們控制了羧酸基團的質子化狀態。在pH=4.1的微酸環境下，氫鍵形成最為理想，納米團簇尺寸均勻（約50-100納米），分布致密，為材料提供了最優的強化節點。

通過精確調控紡絲溶劑的種類、兩種高分子（PANa和PAM）的配比以及溶液的酸堿度（pH），研究人員可以控制纖維內部納米結構的形成，從而定制不同性能的纖維

關鍵仿生策略二：用應變編程實現分子排列

蜘蛛在吐絲后，會用腿對絲進行拉伸，這個過程叫“牽伸”，能使雜亂的高分子鏈高度取向排列，這是蜘蛛絲獲得高強度和高模量的關鍵。研究團隊模仿這一生物過程，在纖維成型后，對其進行可控的預拉伸（100%-400%），并在一定濕度下固定這種拉伸狀態。

預拉伸不僅使高分子鏈沿著纖維軸方向排列，還促進了氫鍵網絡的重組和取向結晶的形成。經過400%預拉伸的纖維，在X射線下顯示出高度的分子有序性，其結晶形態與蜘蛛絲中的β-片層晶體在功能上異曲同工。

對初生纖維進行不同比例的預拉伸，會引發其內部結構的多級演化

性能媲美天然蜘蛛絲

經過上述仿生設計與精密調控，最終得到的PANa-PAM水凝膠纖維（PANa-PAM-400%）展現出令人驚嘆的綜合性能：

力學性能：韌性達118.7 MJ/m3，抗拉強度172.3 MPa，能從50%的拉伸中完全彈性恢復。一根比頭發絲稍粗的纖維（約0.5 mm2截面）能穩穩懸掛1公斤重物，相當于其自身重量的11萬倍。

智能響應：在濕熱刺激下，纖維可產生高達60%的“超收縮”，并能輸出巨大的收縮應力，展現出類肌肉的驅動能力。經二次預拉伸處理的纖維，其單位質量做功能力（516 J/kg）遠超生物肌肉（~39 J/kg）。

能量管理：阻尼效率高達96%，能迅速耗散沖擊能量，將自由落體重物的振蕩在數秒內平息，在防護材料領域潛力巨大。

這些性能指標使其在與天然蜘蛛絲及近年報道的各類仿生纖維的對比中，位于前列，尤其在韌性、阻尼和智能響應的結合上表現突出。

超越復刻

這項研究展示了通過常規纖維制造技術實現仿生結構的可行性，也提供了一套“結構設計-工藝調控-性能實現”的系統方法。

研究的價值不僅在于復刻了蜘蛛絲的性能，更在于提供了一條可規模化生產的路徑。研究所使用的原料成本低廉、生物相容性好，核心的濕法紡絲與后拉伸工藝與現有紡織工業兼容度高。在防護裝備、智能織物、軟體機器人、能量吸收材料等領域都有潛在的應用價值。

編輯：郭郭

論文信息

發布期刊 Nature Communications

發布時間 2025年11月29日

論文標題 Controlled microphase separation and strain programming in hydrogel fibers toward biomimetic architectures and properties

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66537-7）