هناك جزيئات كبيرة بيولوجية غنية جدًا أو جزيئات كبيرة طبيعية في الطبيعة. هذه المواد هي موارد لا تنضب ولا تنضب تعطى للبشر بطبيعتها. خاصة اليوم ، يواجه البشر أزمة نضوب البترول والموارد الأخرى غير المستدامة. تحظى البوليمرات الطبيعية باهتمام متزايد بسبب وفرة مصادرها واستدامتها. تشمل البوليمرات الطبيعية أساسًا السليلوز والكيتين والكيتوزان والنشا وألجينات الصوديوم وبروتين الحرير والكولاجين وبروتين الصويا والمطاط الطبيعي. نظرًا لأن مواد البوليمر الطبيعية هذه لها توافق حيوي خاص وقابلية للتحلل البيولوجي ، فإن استخدامها لم يقتصر منذ فترة طويلة على الحياة اليومية مثل الملابس والطعام والمسكن والنقل. مع تقدم العلم والتكنولوجيا ، يبحث المزيد والمزيد من العلماء عن البوليمرات الطبيعية وتطبيقاتها.


من بين العديد من مواد البوليمر الطبيعية في الطبيعة ، فإن السبب المباشر وراء حصول حرير الحيوانات الطبيعي على اهتمام خاص هو خواصه الميكانيكية الشاملة الممتازة. كألياف بروتينية طبيعية ، يمكن وصف الحرير الحيواني بأنه مادة خاصة خلقتها الطبيعة عبر ملايين السنين من التكيف وتطور الحيوانات. لديه توازن مثالي بين القوة والمتانة. على الرغم من وجود تطورات كبيرة في علم البوليمر ومعالجة المواد ، وخاصة تكنولوجيا الغزل ، إلا أن الخصائص الميكانيكية الشاملة للألياف الاصطناعية المُعدة حاليًا بالطريقة المثلى لا يمكن أن تتفوق على حرير الحيوانات في الطبيعة.

هناك حوالي 113000 نوع من حشرات Lepidoptera و 30000 نوع من العناكب في الطبيعة يمكنها غزل الحرير ، منها ديدان الحرير وعناكب نسج الويب وأليافها الحريرية التي تمت دراستها أكثر.

حرير التوت هو أحد أول وأكبر بوليمر طبيعي من المعروف أنها تستخدم ، وبروتينها هو أيضًا الفيبرين الطبيعي الذي تمت دراسته بشكل أعمق من قبل البشر. نظرًا لأن حرير التوت يتمتع بمزايا لمعان خاص ونفاذية هواء جيدة وامتصاص قوي للرطوبة وشعور جيد باليدين وقوة عالية في نفس الوقت ، يُعرف باسم "ملكة الألياف" وقد تم استخدامه في مجال النسيج. بالإضافة إلى ذلك ، كمواد بوليمر طبيعية نقية ، يتمتع بروتين الحرير بخصائص ميكانيكية جيدة ، وتوافق حيوي واستقرار بيئي جيد نسبيًا ، وقد اشتمل نطاق تطبيقه على الغذاء والدواء والتكنولوجيا الحيوية (مثل تقنية تثبيت الإنزيم القائم على بروتين الحرير) والغرامة اليومية المواد الكيميائية (مثل مستحضرات التجميل) وغيرها من المجالات.

مقارنة بالتطبيق الواسع النطاق حرير التوت ، على الرغم من أن العناكب عاشت على الأرض قبل 400 مليون سنة ، فإن البحث عن حرير العنكبوت واستخدامه هو بعيدة كل البعد عن الحرير. وذلك لأن العناكب حيوانات آكلة للحوم ، وخاصة أكل لحوم البشر. بالإضافة إلى ذلك ، لا تقوم العناكب ببصق ألياف الحرير في وقت واحد عندما تنضج مثل دودة القز ، ولكنها تفرز بروتينات الحرير المختلفة في أي وقت وفي أي مكان للاحتياجات اليومية ، لذلك من الصعب جدًا إجراء تكاثر صناعي على نطاق واسع مثل دودة قز التوت. تشكيل صناعة بالإضافة إلى ذلك ، من الصعب أيضًا جمع كمية كبيرة من حرير العنكبوت البري: لذلك ، فإن البحث عن حرير العنكبوت واستخدامه وبروتينه الحريري مقيدان بشكل كبير.

على الرغم من أن حرير العنكبوت لا يحتوي على منتجات تطبيقات تجارية حقيقية حتى الآن ، إلا أن خواصه الميكانيكية الشاملة غير العادية لها آفاق محتملة للتطبيق في المواد عالية الأداء. على وجه الخصوص ، أصبح حرير الغدة الكيسية الكبيرة (الغدة الرئيسية) للعنكبوت نوعًا من مادة الألياف البروتينية التي تتمتع بجاذبية كبيرة نظرًا لقوتها العالية ومرونتها العالية ، والتي أثارت اهتمامًا كبيرًا من علماء المواد وعلماء الأحياء.

لم تؤد عملية التطور الطبيعي لمئات الملايين من السنين إلى استمرار أنواع الحياة مثل دودة القز والعناكب فحسب ، بل خلقت أيضًا صلابة حرير الحيوانات.استخدم البشر حرير الحيوانات في صناعة الملابس والآلات الموسيقية وأدوات الصيد لآلاف السنين وفقًا للاكتشافات الأثرية ، في منتصف العصر الحجري الحديث منذ خمسة إلى ستة آلاف عام ، بدأ الأسلاف الصينيون في تربية ديدان القز والحصول على الحرير ونسج الحرير. بوعي أو بغير وعي. كدولة رئيسية منتجة للحرير ، أنشأت الصين حقبة جديدة من حضارة الملابس الحريرية للأمة الصينية. في الوقت نفسه ، أعطت تغييرات العصر منتجات الحرير بدلالات ثقافية غنية وقيمًا تاريخية. منذ العصور القديمة ، كان للتبادلات الاقتصادية والثقافية بين الصين والدول الأجنبية التي نشأت عن تجارة الحرير تأثير لا يمحى على تقدم الحضارة الإنسانية بأكملها. إن طريق حرير هان الغربي المعروف في الداخل والخارج لم يعزز التبادلات الودية والتبادلات الثقافية بين الصين وشعوب آسيا وأوروبا وأفريقيا فحسب ، بل ساهم أيضًا في الازدهار الاقتصادي في ذلك الوقت إلى حد معين. حتى بداية القرن العشرين ، عندما لم تظهر الألياف الاصطناعية مثل خيوط النايلون أو تم استخدامها على نطاق واسع ، كان الحرير لا يزال يستخدم في صناعة المظلات والإطارات وحتى الدروع الواقية للبدن ؛ بينما كان حرير العنكبوت بسبب قوته العالية ومثابرته العالية وتوحيده الجيد. سمات مميزة ، غالبًا ما تستخدم كعلامات تصويب للأجهزة البصرية ، مثل منظار البندقية.

لا يزال العلماء اليوم مهتمين بالحرير الحيواني وبروتين الحرير ، للأسباب التالية أساسًا.

  1. يعتبر حرير الحيوانات وبروتينات الحرير بمثابة مواد من الطبيعة ويتم إنتاجه على نحو مستدام. في عالم اليوم حيث أصبحت الموارد الأحفورية مثل النفط والفحم والغاز الطبيعي متوترة بشكل متزايد ، فإن تطوير واستخدام هذه الموارد المتجددة لهما أهمية خاصة. من أجل البقاء والتكاثر ، تستخدم العناكب وديدان القز حيوانات ونباتات مختلفة كغذاء لاحتياجاتها اليومية من الطاقة. في ظل الظروف المناسبة ، يمكن تحضير سلائف الحرير ، وبروتينات الحرير ، في الجسم من خلال طرق التخليق الحيوي. يمكن استخدام بروتين الحرير في درجة حرارة الغرفة. تحت الضغط الطبيعي في البيئة المائية ، من خلال التحول التوافقي المقابل ، يتجمع في ألياف حريرية بخصائص محددة ، ويمكن أن يتحلل بيولوجيًا (بيئيًا) إلى مكونات غير ضارة تمامًا كما هو مطلوب. الى جانب ذلك ، فإن ألياف الحرير المنسوجة من حرير الحيوانات أنيقة للغاية ومريحة.
  2. حرير الحيوان ليس فقط مادة بروتينية ذات توافق حيوي وقابلية للتحلل البيولوجي ، ولكنه أيضًا خواصه الميكانيكية الشاملة الممتازة (أي القوة والقوة الناتجة عن التوازن المثالي بين المعامل والقوة والاستطالة عند الكسر). إنه يرضي أحلام اليقظة حول المواد ذات القوة الخارقة. مثال نموذجي هو أنه عندما كان حرير العنكبوت السحري مصدر إلهام للفنان ، كان ما ظهر هو الإحساس الناجم عن سلسلة أفلام "الرجل العنكبوت" ، والتي كان سلاح الحرير العنكبوت المتغير للبطل هو ما كنا نحن الناس العاديين. يحلم ب. من. ومع ذلك ، انطلاقًا من حقيقة أن حرير العنكبوت الذي يبلغ قطره حوالي 2 ~ 6 ميكرومتر يمكن أن "يعلق" عنكبوتًا يبلغ 1 جم ، فإن حرير العنكبوت الذي يحافظ على Spider-Man لا يحتاج إلى أن يكون سميكًا جدًا. لوضعها بوضوح ، يجب أن تكون فقط مثل قلم رصاص. يمكن أن يتحمل حرير العنكبوت السميك والرفيع القوة اللحظية لطائرة الركاب الكبيرة من طراز بوينج 747 عندما تقلع.
  3. على عكس المواد البيولوجية الجزيئية الطبيعية الأخرى مثل السليلوز والشيتوزان وبروتين الصويا والكولاجين والكيراتين ، فإن الحرير الحيواني هو مادة الألياف البروتينية الوحيدة التي "يتم لفها" باستمرار. كان يُعتقد عمومًا أن ظروف إنتاج الألياف الطبيعية عالية الأداء مثل حرير الحيوانات (أي ، عملية الغزل تحت درجة الحرارة العادية والضغط العادي وبيئة المحلول المائي) معتدلة جدًا مقارنة بجميع عمليات تحضير الألياف الاصطناعية تقريبًا في الوقت الحالي ، والتي يمكن أن تسمى معجزة طبيعية.لذلك ، بالإضافة إلى التركيز على الخصائص الميكانيكية للحرير الحيواني ، يسعى الباحثون أيضًا باستمرار إلى فهم متعمق لآلية وعملية تليف بروتين حرير الحيوان ، في محاولة لاستخدام الأساليب الإلكترونية لصنع ألياف قوية في ظل ظروف معتدلة ، ولا سيما الأمل. للحصول على مثل حرير العنكبوت الطبيعي ، فهو عبارة عن ألياف بروتينية ذات قوة ومثابرة عالية على حد سواء ، وسوف تنفذ التصميم الجزيئي وتحسين نظام الغزل والمعدات للألياف الاصطناعية عالية الأداء في المستقبل. ولكن في الواقع ، واجه البشر العديد من الصعوبات في إنتاج ألياف حرير العنكبوت عالية الأداء صناعياً. عليهم تقليد تسلسل الأحماض الأمينية وتكوين بروتين الحرير ، والبنية والحالة البلورية السائلة لغزل بروتين الحرير ، وأعضاء الغزل المختلفة ، و "إن العملية الشاملة" للغزل الجاف "ليست سهلة ، بعد كل شيء ، هذا هو الخبرة التي خلقتها العناكب وديدان القز عبر مئات الملايين من السنين من الانتقاء الطبيعي.
  4. استنادًا إلى الصعوبات التي واجهتها في إعداد المحاكاة الحيوية لألياف البروتين عالية الأداء ، فإن البحث عن حرير الحيوانات وتطبيقه يتوسعان بنشاط من مجال الألياف التقليدي إلى مجال الطب الحيوي. كألياف بروتينية هيكلية بدون أي نشاط فسيولوجي ، تم استخدام الحرير في الخيوط الجراحية منذ أكثر من قرن. اليوم ، قد يصبح بروتين الحرير الحيواني مصدرًا مثاليًا للمواد الطبية الحيوية بفضل توافقه الحيوي الممتاز ، وقابليته للتحلل ، وقابلية تعديله الهيكلي ، وملاءمته للبيئة ، ومصادره الوفيرة ، وتكلفته المنخفضة. مقارنة بالبوليمرات الطبيعية الأخرى مثل الكيتين / الشيتوزان ، والكولاجين / الجيلاتين ، وبروتين الصويا ، والألبومين ، وحمض الهيالورونيك ، وألجينات الصوديوم ، فإن بروتين الحرير الحيواني ليس فقط كبيرًا من حيث الكمية ويسهل الحصول عليه ، ولكنه أيضًا عالي النقاء ؛ يمكن لبروتين الحرير أن يحقق التحويل ثنائي الاتجاه بين بنية الحرير القابلة للذوبان في الماء وهيكل الحرير غير القابل للذوبان في الماء ، كما أن طرق المعالجة والقولبة الخاصة به متنوعة. كل هذه الخصائص تساعد على تعديل الخواص الميكانيكية لمواد بروتين الحرير المتجدد من خلال طرق المعالجة المناسبة. يوفر التشكل المجهري ومعدل التحلل الراحة لتطبيقه في مجال الطب الحيوي. لذلك ، فإن التركيز الحالي للاستكشاف هو كيفية استخدام بروتين الحرير الحيواني في جوانب مثل الخيوط الجراحية والضمادات الطبية وأجهزة الاستشعار الحيوية والغضاريف والمفاصل الاصطناعية وأربطة وأربطة العضلات الاصطناعية ومواد الإطلاق المتحكم فيها للأدوية والجينات ومواد السقالات للأنسجة الهندسة.

لذلك ، يشير البحث الأساسي الشامل واستكشاف التطبيقات للحرير الحيواني وبروتين الحرير إلى ثورة مادية جديدة ، ويظهر أيضًا أن عملية التعلم البشري من الطبيعة والحياة لن تنتهي أبدًا. .