Spindelsilke

"Arachnidium" omdirigerar här. För släktet bryozoer, se Arachnidium (bryozoan) .

En trädgårdsspindel spinner sitt nät

Ett kvinnligt exemplar av Argiope bruennichi sveper in sitt byte i siden.

Indian Summer av Józef Chełmoński (1875, Nationalmuseet i Warszawa ) föreställer en bondekvinna med en tråd av gossamer i handen.

Spindelkokong

Spindelsilke är en proteinfiber spunnen av spindlar . Spindlar använder sitt silke för att göra nät eller andra strukturer, som fungerar som klibbiga nät för att fånga andra djur, eller som bon eller kokonger för att skydda sin avkomma, eller för att slå in byten. De kan också använda sitt silke för att suspendera sig, för att flyta genom luften eller för att glida bort från rovdjur. De flesta spindlar varierar tjockleken och klibbigheten på sitt silke för olika användningsområden.

I vissa fall kan spindlar till och med använda silke som matkälla. Medan metoder har utvecklats för att samla in silke från en spindel med våld, är det svårt att samla silke från många spindlar jämfört med silkessnurrande organismer som silkesmaskar .

Alla spindlar producerar silke , och även i spindlar som inte bygger på nät är silke intimt bundet till uppvaktning och parning. Silke producerat av honor tillhandahåller en överföringskanal för manliga vibrerande uppvaktningssignaler, medan väv och draglinor ger ett substrat för kvinnliga könsferomoner. Observationer av manliga spindlar som producerar silke under sexuella interaktioner är också vanliga i fylogenetiskt utbredda taxa. Men funktionen av manligt producerat silke vid parning har fått mycket lite studier.

Biologisk mångfald

Används

Alla spindlar producerar silke, och en enda spindel kan producera upp till sju olika sorters silke för olika användningsområden. Detta till skillnad från insektssilke, där en individ vanligtvis bara producerar en typ av silke. Spindelsilke kan användas på många olika ekologiska sätt, alla med egenskaper som matchar sidenets funktion. I takt med att spindlar har utvecklats, har också deras silkes komplexitet och olika användningsområden, till exempel från primitiva rörbanor för 300–400 miljoner år sedan till komplexa orbbanor för 110 miljoner år sedan.

Använda sig av	Exempel	Referens
Bytesfångning	De klotvävar som produceras av Araneidae (typiska klotvävare); rörbanor; trasselväv; arkbanor; spetsbanor, kupolbanor; enkel tråd som används av Bolas spindlar för "fiske".
Bytes immobilisering	Silke användes som "swattband" för att slå in byten. Ofta kombinerat med att immobilisera byten med ett gift. Hos arter av Scytodes kombineras siden med gift och sprutas från chelicerae .
Fortplantning	Manliga spindlar kan producera spermienät; spindelägg är täckta av sidenkokonger.
Spridning	"Ballooning" eller "kiting" som används av mindre spindlar för att sväva genom luften, till exempel för att spridas.
Källa till mat	De kleptoparasitära Argyrodes äter silke från värdspindelnät. Vissa dagliga vävare av tillfälliga vävar äter också sitt eget oanvända silke dagligen, vilket minskar en tung metabolisk kostnad.
Bofoder och bokonstruktion	Rörnät som används av "primitiva" spindlar som den europeiska rörnätsspindeln ( Segestria florentina) . Trådar strålar ut från boet för att ge en sensorisk länk till utsidan. Silke är en beståndsdel av locken på spindlar som använder "fälldörrar", såsom medlemmar av familjen Ctenizidae , och "vatten"- eller "dykklocka"-spindeln Argyroneta aquatica bygger sin dykklocka av siden.
Riktlinjer	Vissa spindlar som vågar sig från skydd kommer att lämna ett spår av siden för att hitta hem igen.
Släpplinor och ankarlinor	Många spindlar, som Salticidae , som vågar sig från skydd och lämnar ett spår av siden, använder det som en nödlina vid fall från omvända eller vertikala ytor. Många andra, även de som bor i nät, kommer medvetet att tappa från en väv när de blir oroliga, och använder en silkestråd som en dropplinje genom vilken de kan återvända i sinom tid. Vissa, såsom arter av Paramystaria , kommer också att hänga från en droplina när de matar.
Larmlinjer	Vissa spindlar som inte snurrar egentliga fällnät lägger ut larmnät som deras bytes fötter (som myror) kan störa, vilket uppmanar spindeln att rusa ut och säkra måltiden om den är tillräckligt liten, eller för att undvika kontakt om inkräktare verkar för formidabel.
Feromonala spår	Vissa vandrande spindlar kommer att lämna ett i stort sett kontinuerligt spår av siden impregnerat med feromoner som det motsatta könet kan följa för att hitta en partner.

Typer

En kvinnlig Argiope picta som immobiliserar byte genom att vira en gardin av aciniformigt silke runt insekten för senare konsumtion

För att uppfylla specifikationen för alla dessa ekologiska användningar krävs olika typer av silke som är anpassade till olika breda egenskaper, som antingen en fiber, en struktur av fibrer eller en silkeskula. Dessa typer inkluderar lim och fibrer. Vissa typer av fibrer används för strukturellt stöd, andra för att konstruera skyddande strukturer. Vissa kan absorbera energi effektivt, medan andra överför vibrationer effektivt. Hos en spindel produceras dessa silkestyper i olika körtlar; så silket från en viss körtel kan kopplas till dess användning av spindeln.

Körtel	Silkesanvändning
Ampulera (stor)	Dragline silke – används för nätets yttre kant och ekrar, även för livlinan och för ballongflygning.
Ampulera (mindre)	Används för tillfälliga ställningar under bankonstruktion.
Flagelliform	Capture-spiral silke – används för att fånga webbens linjer.
Tubuliform	Äggkokongsilke – används för skyddande äggsäckar.
Aciniform	Används för att slå in och säkra nyfångade byten; används i manliga spermier; används i stabilimenta.
Aggregat	Ett sidenlim av klibbiga kulor.
Piriform	Används för att bilda bindningar mellan separata gängor för fästpunkter.

Egenskaper

Mekaniska egenskaper

Varje spindel och varje typ av siden har en uppsättning mekaniska egenskaper optimerade för deras biologiska funktion.

De flesta siden, i synnerhet draglinesilke, har exceptionella mekaniska egenskaper. De uppvisar en unik kombination av hög draghållfasthet och töjbarhet ( duktilitet ). Detta gör det möjligt för en silkesfiber att absorbera en stor mängd energi innan den går sönder ( seghet , området under en stress-töjningskurva).

En illustration av skillnaderna mellan seghet, styvhet och styrka

Ett vanligt misstag som görs i vanliga media är att blanda ihop styrka och seghet när man jämför siden med andra material. Vikt för vikt, silke är starkare än stål, men inte lika starkt som Kevlar . Spindelsilke är dock tuffare än båda.

Variabiliteten av mekaniska egenskaper hos spindelsilkefibrer kan vara viktig och det är relaterat till deras grad av molekylär inriktning. Mekaniska egenskaper beror starkt på omgivningsförhållandena, dvs luftfuktighet och temperatur.

Styrka

En dragline-silkes draghållfasthet är jämförbar med den hos högkvalitativt legerat stål (450−2000 MPa), och ungefär hälften så stark som aramidfilament , såsom Twaron eller Kevlar (3000 MPa).

Densitet

Silke består huvudsakligen av protein och är ungefär en sjättedel av stålets densitet (1,3 g/cm ³ ). Som ett resultat skulle en tråd som är tillräckligt lång för att cirkla runt jorden väga cirka 2 kg (4,4 lb). (Spider dragline silke har en draghållfasthet på ungefär 1,3 GPa . Draghållfastheten som anges för stål kan vara något högre – t.ex. 1,65 GPa, men spindelsilke är ett mycket mindre tätt material, så att en given vikt spindelsilke är fem gånger så stor som stark som samma vikt av stål.)

Energi densitet

Energitätheten för dragline - spindelsilke är ungefär 1,2 × 10 ⁸ J/m ³ .

Sträckbarhet

Siden är också extremt formbart , med vissa som kan sträcka sig upp till fem gånger sin avslappnade längd utan att gå sönder.

Seghet

Kombinationen av styrka och duktilitet ger draglinesilke en mycket hög seghet (eller slitstyrka), som "likar den för kommersiella polyaramidfilament (aromatisk nylon), som i sig är riktmärken för modern polymerfiberteknologi".

Temperatur

Även om det är osannolikt att det är relevant i naturen, kan draglinesilke hålla sin styrka under -40 °C (-40 °F) och upp till 220 °C (428 °F). Som förekommer i många material genomgår spindelsilkefibrer en glasövergång . Glasövergångstemperaturen beror på luftfuktigheten, eftersom vatten är en mjukgörare för silket.

Superkontraktion

När de utsätts för vatten genomgår draglinesilke superkontraktion, krymper upp till 50 % i längd och beter sig som ett svagt gummi under spänning. Många hypoteser har föreslagits om dess användning i naturen, med den mest populära är att automatiskt spänna banor byggda på natten med hjälp av morgondagg.

Högsta prestanda

Det tuffaste kända spindelsilket produceras av arten Darwins barkspindel ( Caerostris darwini ): "Segheten hos tvångssilkerade fibrer är i genomsnitt 350 MJ/m ³ , med vissa prover som når 520 MJ/m ^3. Således är C. darwini- silke mer än dubbelt så tufft som något tidigare beskrivet siden, och över 10 gånger tuffare än Kevlar".

Vidhäftande egenskaper

Silkesfiber är en tvåkomponent pyriform sekretion, spunnen till mönster (kallade "fästskivor") som används för att fästa silkestrådar på olika ytor med ett minimum av silkessubstrat. De pyriformade trådarna polymeriserar under omgivande förhållanden, blir funktionella omedelbart och är användbara på obestämd tid, förblir biologiskt nedbrytbara, mångsidiga och kompatibla med många andra material i miljön. Fästskivans vidhäftnings- och hållbarhetsegenskaper styrs av funktioner i spinndysorna. Vissa adhesiva egenskaper hos siden liknar lim , bestående av mikrofibriller och lipidinneslutningar .

Typer av siden

Många arter av spindlar har olika körtlar för att producera silke med olika egenskaper för olika ändamål, inklusive bostäder, vävkonstruktion , försvar, fånga och kvarhålla bytesdjur , äggskydd och rörlighet (fin "gossamer" tråd för ballongflygning , eller för en tråd som tillåter spindel som faller ner när silke extruderas). Olika specialiserade siden har utvecklats med egenskaper som lämpar sig för olika användningsområden. Till exempel Argiope argentata fem olika typer av siden, var och en för olika ändamål:

Silke	Använda sig av
major-ampullerat (dragline) silke	Används till nätets yttre kant och ekrar och även till livlinan. Kan vara lika stark per viktenhet som stål, men mycket tuffare.
fångspiral (flagelliform) siden	Används för att fånga linjer på nätet. Klibbig, extremt stretchig och seg. Infångningsspiralen är klibbig på grund av droppar av ballast (ett spindellim) som placeras på spiralen. Elasticiteten hos flagelliforma ger tillräckligt med tid för aggregatet att fästa vid luftbytet som flyger in i banan.
tubiliform (alias cylindriform) siden	Används för skyddande äggsäckar. Styvare siden.
aciniformigt silke	Används för att slå in och säkra nyfångade byten. Två till tre gånger så sega som de andra siden, inklusive dragline.
mindre ampullerat siden	Används för tillfälliga ställningar under bankonstruktion.

Strukturell

Makroskopisk struktur ner till proteinhierarki

Struktur av spindelsilke. Inuti en typisk fiber finns kristallina områden åtskilda av amorfa länkar. Kristallerna är beta-ark som har satts ihop.

Silke, liksom många andra biomaterial, har en hierarkisk struktur. Den primära strukturen är aminosyrasekvensen av dess proteiner ( spidroin ), huvudsakligen bestående av mycket repetitiva glycin- och alaninblock, vilket är anledningen till att silke ofta hänvisas till som en blocksampolymer. På en sekundär strukturnivå finns det kortsidakedjiga alaninet huvudsakligen i de kristallina domänerna ( beta-ark ) av nanofibriller, glycin finns mestadels i den så kallade amorfa matrisen som består av spiralformade och beta-svängstrukturer. Det är samspelet mellan de hårda kristallina segmenten och de ansträngda elastiska semi-amorfa områdena som ger spindelsilket dess extraordinära egenskaper. Olika föreningar förutom protein används för att förbättra fiberns egenskaper. Pyrrolidin har hygroskopiska egenskaper som håller silket fuktigt samtidigt som det avvärjer myranvasion. Det förekommer i särskilt hög koncentration i limtrådar. Kaliumvätefosfat frisätter vätejoner i vattenlösning, vilket resulterar i ett pH på cirka 4, vilket gör silket surt och skyddar det på så sätt från svampar och bakterier som annars skulle smälta proteinet. Kaliumnitrat tros förhindra att proteinet denatureras i den sura miljön.

Denna första mycket grundläggande modell av silke introducerades av Termonia 1994 som föreslog kristalliter inbäddade i en amorf matris sammanlänkad med vätebindningar. Denna modell har förfinats genom åren: semikristallina regioner hittades liksom en fibrillär hudkärnmodell som föreslagits för spindelsilke, senare visualiserad av AFM och TEM . Storleken på den nanofibrillära strukturen och de kristallina och semikristallina regionerna avslöjades genom neutronspridning .

Det har varit möjligt att relatera mikrostrukturell information och makroskopiska mekaniska egenskaper hos fibrerna. Resultaten visar att ordnade områden (i) huvudsakligen omorienteras genom deformation för lågsträckta fibrer och (ii) andelen ordnade områden ökar progressivt för högre sträckning av fibrerna.

• 

  Schematisk över spindelns klotnät, strukturella moduler och spindelsilkestruktur. Till vänster visas en schematisk ritning av en orbbana. De röda linjerna representerar draglinjen, den radiella linjen och ramlinjerna, de blå linjerna representerar spirallinjen och mitten av klotbanan kallas "navet". Klibbiga bollar ritade i blått görs med lika intervall på spirallinjen med trögflytande material som utsöndras från aggregatkörteln. Fästcement som utsöndras från den piriformade körteln används för att ansluta och fixera olika linjer. Mikroskopiskt är spindelsilkets sekundära struktur bildad av spidroin och sägs ha den struktur som visas på höger sida. I draglinan och den radiella linjen är ett kristallint β-ark och en amorf spiralformad struktur sammanvävda. Den stora mängden β-spiralstruktur ger elastiska egenskaper till den infångande delen av orbbanan. I strukturmoduldiagrammet visas en mikroskopisk struktur av dragline och radiella linjer, huvudsakligen sammansatt av två proteiner av MaSp1 och MaSp2, som visas i den övre centrala delen. I spirallinjen finns det inget kristallint β-arkområde.

Biosyntes och fiberspinning

Produktionen av silke, inklusive spindelsilke, skiljer sig i en viktig aspekt från produktionen av de flesta andra fibrösa biologiska material: snarare än att kontinuerligt odlas som keratin i hår, cellulosa i växternas cellväggar, eller till och med fibrerna som bildas från de komprimerade avföring från skalbaggar; den "snurras" på begäran från flytande silkeprekursor av specialiserade körtlar.

Spinnprocessen inträffar när en fiber dras bort från kroppen på en spindel, antingen av spindelns ben, genom att spindeln faller under sin egen vikt, eller genom någon annan metod, inklusive att dras av människor. Termen "spinning" är missvisande eftersom ingen rotation av någon komponent sker, utan snarare kommer från analogi med textilsnurrarna . Silkeproduktion är en pultrudering , liknande extrudering, med den subtiliteten att kraften induceras genom att dra i den färdiga fibern snarare än att pressas ut ur en reservoar. Den ospunna sidenfibern dras genom silkeskörtlar av vilka det kan finnas både många dubbletter och olika typer av körtlar på en spindelart.

Sidenkörtel

Schematisk beskrivning av spindlarnas spinnapparat och strukturell hierarki vid silkesmontering relaterad till sammansättning till fibrer. I processen med draglineproduktion utsöndras det primära strukturproteinet först från sekretoriska granuler i svansen. I ampullaten (neutral miljö, pH = 7) bildar proteinerna en mjuk micell på flera tiotals nanometer genom självorganisering eftersom de hydrofila terminalerna är uteslutna. I ampullat är koncentrationen av proteinet mycket hög. Sedan pressas micellerna in i kanalen. Molekylernas långa axelriktning är inriktad parallellt med kanalen genom en mekanisk friktionskraft och delvis orienterad. Den kontinuerliga sänkningen av pH från 7,5 till 8,0 i svansen till förmodligen nära 5,0 sker i slutet av kanalen. Jonbyte, försurning och avlägsnande av vatten sker alla i kanalen. Skjuvkrafterna och förlängningskrafterna leder till fasseparation. I det sura badet i kanalen uppnår molekylerna ett högkoncentrerat flytande kristalltillstånd. Slutligen spins silket från den avsmalnande exteriören. Molekylerna blir mer stabila helixar och β-skivor från den flytande kristallen.

Körtelns synliga eller yttre del kallas spinndysan . Beroende på artens komplexitet kommer spindlar att ha två till åtta spindlar, vanligtvis i par. Det finns mycket olika specialiserade körtlar i olika spindlar, allt från helt enkelt en säck med en öppning i ena änden, till de komplexa, flersektionerade stora ampulerade körtlarna hos de gyllene sidenkula-vävarna .

Bakom varje spinndysa som är synlig på spindelns yta ligger en körtel, vars generaliserad form visas i figuren till höger, "Schematic of a generalized gland".

Schematisk av en generaliserad körtel av en gyllene silke orb-vävare . Varje olikfärgad sektion framhäver en diskret sektion av körteln.

Körtelegenskaper

1. Den första delen av körteln märkt 1 i figur 1 är den sekretoriska eller svansdelen av körteln. Väggarna i denna sektion är kantade med celler som utsöndrar proteinerna Spidroin I och Spidroin II, huvudkomponenterna i denna spindels draglina. Dessa proteiner finns i form av droppar som gradvis förlängs för att bilda långa kanaler längs med den slutliga fibern, hypotesen hjälper till att förhindra sprickbildning eller till och med självläkning av fibern.
2. Den andra sektionen är förvaringspåsen. Detta lagrar och bibehåller den gelliknande ospunna sidendopen tills den krävs av spindeln. Förutom att lagra den ospunna sidengelen, utsöndrar den proteiner som täcker ytan av den slutliga fibern.
3. Tratten minskar snabbt den stora diametern på förvaringspåsen till den avsmalnande kanalens lilla diameter.
4. Den slutliga längden är den avsmalnande kanalen, platsen för det mesta av fiberbildningen. Denna består av ett avsmalnande rör med flera täta varv, en ventil nästan i änden (som nämns i detalj i punkt nr 5 nedan) som slutar i en tapp från vilken den fasta sidenfibern kommer ut. Röret avsmalnar här hyperboliskt, därför är det ospunna siden under konstant förlängningsskjuvspänning, vilket är en viktig faktor vid fiberbildning. Denna del av kanalen är fodrad med celler som byter joner, reducerar dopets pH från neutralt till surt och tar bort vatten från fibern. Tillsammans inducerar skjuvspänningen och jon- och pH-förändringarna den flytande sidendopen att genomgå en fasövergång och kondenseras till en fast proteinfiber med hög molekylär organisation. Tappen i änden har läppar som klämmer runt fibern, kontrollerar fiberdiametern och håller kvar vatten ytterligare.
5. Nästan i slutet av den avsmalnande kanalen finns en ventil, ungefärlig position markerad med "5" på figur 1. Även om det upptäcktes för en tid sedan, är det exakta syftet med denna ventil fortfarande under diskussion. Det tros hjälpa till att starta om och åter sammanfoga trasiga fibrer, verka mycket i vägen för en spiralformad pump , reglera tjockleken på fibern och/eller klämma fast fibern när en spindel faller på den. Det finns en del diskussion om likheten mellan silkesmaskens silkespress och vilken roll var och en av dessa ventiler spelar i produktionen av silke i dessa två organismer.

Under hela processen tycks det ospunna siden ha en nematisk textur, på liknande sätt som en flytande kristall , som delvis uppstår på grund av den extremt höga proteinkoncentrationen av silkedope (cirka 30 % i vikt per volym). Detta gör att det ospunna silket kan strömma genom kanalen som en vätska men bibehålla en molekylär ordning.

Som ett exempel på ett komplext spinnfält består spinndysapparaten hos en vuxen Araneus diadematus (trädgårdskorsspindel) av körtlarna som visas nedan. Liknande multikörtelarkitektur finns hos den svarta änkans spindel.

• 500 pyriforma körtlar för fästpunkter
• 4 ampulera glands för webbramen
• cirka 300 aciniforma körtlar för det yttre fodret på äggsäckar och för att fånga byten
• 4 tubuliformade körtlar för äggsäckssilke
• 4 aggregatförskruvningar för adhesiva funktioner
• 2 koronerade körtlar för tråden av vidhäftningslinjer

Konstgjord syntes

Enkel sträng av konstgjord spindelsilke producerad under laboratorieförhållanden

För att på konstgjord väg syntetisera spindelsilke till fibrer finns det två breda områden som måste täckas. Dessa är syntes av råvaran (det ospunna silkesdopet i spindlar) och syntes av spinnförhållandena (tratten, ventilen, avsmalnande kanalen och tappen). Det har funnits ett antal olika tillvägagångssätt men få av dessa metoder har producerat silke som effektivt kan syntetiseras till fibrer.

Råmaterial

Ospunnet sidens molekylära struktur är både komplex och extremt lång. Även om detta ger silkesfibrerna sina önskvärda egenskaper, gör det också replikeringen av fibern något av en utmaning. Olika organismer har använts som bas för försök att replikera vissa komponenter eller alla av några eller alla av de involverade proteinerna. Dessa proteiner måste sedan extraheras, renas och sedan snurras innan deras egenskaper kan testas.

Organism	Detaljer	Genomsnittlig maximal brottspänning (MPa)	Genomsnittlig stam (%)	Referens
Darwins barkspindel ( Caerostris darwini )	Madagaskisk spindel känd för att göra nät med trådar upp till 25 m långa, över floder. " C. darwini silke är mer än dubbelt så segt som något tidigare beskrivet silke"	1850 ±350	33 ±0,08
Nephila clavipes	Typisk gyllene klotvävande spindel	710–1200	18–27
Bombyx mori Silkesmaskar	Silkesmaskar förändrades genetiskt för att uttrycka spindelproteiner och fibrer mättes.	660	18.5
E coli	Syntetisering av en stor och repetitiv molekyl (~300 kDa ) är komplex, men krävs för det starkaste sidenet. Här konstruerades E. coli för att producera ett 556 kDa protein. Fibrer spunnna från dessa syntetiska spindlar är de första som till fullo replikerar den mekaniska prestandan hos naturligt spindelsilke med alla vanliga mått.	1030 ±110	18 ±6
Get	Geter modifierades genetiskt för att utsöndra silkesproteiner i sin mjölk, som sedan kunde renas.	285–250	30–40
Tobak & potatisväxter	Tobaks- och potatisplantor modifierades genetiskt för att producera sidenproteiner. Patent beviljades, men inga fibrer har ännu beskrivits i litteraturen.	n/a	n/a

Geometri

Spindelsilke med jämförelsevis enkel molekylstruktur behöver komplexa kanaler för att kunna spinna en effektiv fiber. Det har funnits ett antal metoder för att framställa fibrer, varav huvudtyperna diskuteras kort nedan.

Spruta och nål

Råvaran tvingas helt enkelt genom en ihålig nål med hjälp av en spruta. Denna metod har visat sig göra fibrer framgångsrikt vid flera tillfällen.

Även om det är mycket billigt och lätt att tillverka, är körtelns form och förhållanden väldigt löst approximerade. Fibrer skapade med denna metod kan behöva uppmuntras att byta från flytande till fast genom att ta bort vattnet från fibern med sådana kemikalier som den miljömässigt oönskade metanolen eller acetonen , och kan även kräva eftersträckning av fibern för att uppnå fibrer med önskvärda egenskaper.

Litet silkesark och silkesnanotrådsyntes på superhydrofoba ytor

Att placera en lösning av spindelsilke på en superhydrofob yta kan generera ark, partiklar och nanotrådar av spindelsilke.

Stora sidenlakan

Självmontering av silke vid stående vätskegas-mellanfaser i en spindelsilkelösning möjliggör bildning av sega och starka ark. Dessa ark utforskas nu för att efterlikna basalmembranet i vävnadsmodellering.

Mikrofluidik

När området för mikrofluidik mognar är det troligt att fler försök att spinna fibrer kommer att göras med hjälp av mikrofluidik. Dessa har fördelen att de är mycket kontrollerbara och kan testa att spinna mycket små volymer ospunna fiber, men installations- och utvecklingskostnaderna kommer sannolikt att bli höga. Ett patent har beviljats ​​inom detta område för spinning av fibrer i en metod som efterliknar processen som finns i naturen, och fibrer spins framgångsrikt kontinuerligt av ett kommersiellt företag.

Elektrospinning

Elektrospinning är en mycket gammal teknik där en vätska hålls i en behållare på ett sätt så att den kan rinna ut genom kapillärverkan. Ett ledande substrat är placerat under, och en stor skillnad i elektrisk potential appliceras mellan vätskan och substratet. Vätskan dras till substratet och små fibrer hoppar nästan omedelbart från sin utsläppspunkt, Taylor-konen , till substratet och torkar när de färdas. Denna metod har visat sig skapa fibrer i nanoskala från både silke dissekerat från organismer och regenererat silkesfibroin.

Andra konstgjorda former bildade av siden

Silke kan formas till andra former och storlekar såsom sfäriska kapslar för läkemedelstillförsel, cellställningar och sårläkning, textilier, kosmetika, beläggningar och många andra. Spindelsilkeproteiner kan också självmontera på superhydrofoba ytor för att generera nanotrådar, såväl som cirkulära ark i mikronstorlek. Det har nyligen visat sig att rekombinanta spindelsilkeproteiner kan självmontera vid vätskeluftgränssnittet av en stående lösning för att bilda proteinpermeabla, starka och flexibla nanomembran som stöder cellproliferation. Föreslagna tillämpningar inkluderar hudtransplantationer och stödjande membran i organ-on-a-chip. Dessa nanomembran av spindelsilke har också använts för att skapa en statisk in vitro- modell av ett blodkärl.

Försök att tillverka syntetiskt spindelsilke

Föreslagna ramverk för att producera konstgjord hud av spindelsilke för att hjälpa patienter med brännskador.

Att replikera de komplexa förhållanden som krävs för att producera fibrer som är jämförbara med spindelsilke har visat sig vara svårt i forskning och tidiga tillverkningsskede. Genom genteknik har Escherichia coli- bakterier, jästsvampar, växter, silkesmaskar och andra djur än silkesmaskar använts för att producera spindelsilkeproteiner, som har andra, enklare egenskaper än de från en spindel . Extrudering av proteinfibrer i en vattenhaltig miljö är känd som "våtspinning". Denna process har hittills producerat silkesfibrer med diametrar från 10 till 60 μm, jämfört med diametrar på 2,5–4 μm för naturligt spindelsilke. Konstgjorda spindelsilke har färre och enklare proteiner än naturligt draglinesilke och är följaktligen hälften av diametern, styrkan och flexibiliteten hos naturligt draglinesilke.

• I mars 2010 lyckades forskare från Korea Advanced Institute of Science & Technology göra spindelsilke direkt med hjälp av bakterien E. coli , modifierad med vissa gener från spindeln Nephila clavipes . Detta tillvägagångssätt eliminerar behovet av att mjölka spindlar och möjliggör tillverkning av spindelsilket på ett mer kostnadseffektivt sätt.
• Ett 556 kDa spindelsilkeprotein tillverkades av 192 återkommande motiv av Nephila clavipes dragline spidroin, med liknande mekaniska egenskaper som deras naturliga motsvarigheter, dvs draghållfasthet (1,03 ± 0,11 GPa), modul (13,7 ± 3,0 GPa), töjbarhet (18 töjbarhet) ± 6 %) och seghet (114 ± 51 MJ/m3).
• Företaget AMSilk utvecklade spidroin med hjälp av bakterier, vilket gjorde det till ett konstgjort spindelsilke.
• Företaget Bolt Threads producerar en rekombinant spidroin med hjälp av jäst, för användning i klädfibrer och personlig vård. De producerade de första kommersiella klädprodukterna gjorda av rekombinant spindelsilke, varumärkesskyddat Microsilk, demonstrerat i slipsar och mössor. De har också samarbetat med veganaktivisten och lyxdesignern Stella McCartney samt Adidas för att producera Microsilk-plagg.
• Företaget Kraig Biocraft Laboratories använde forskning från universiteten i Wyoming och Notre Dame för att skapa silkesmaskar som var genetiskt förändrade för att producera spindelsilke.
• Det nu nedlagda kanadensiska bioteknikföretaget Nexia producerade framgångsrikt spindelsilkeprotein i transgena getter som bar genen för det; mjölken som getterna producerade innehöll betydande mängder av proteinet, 1–2 gram silkesproteiner per liter mjölk. Försök att spinna proteinet till en fiber som liknar naturligt spindelsilke resulterade i fibrer med hållfastheter på 2–3 gram per denier . Nexia använde våtspinning och pressade silkesproteinlösningen genom små extruderingshål för att simulera spinndysan, men denna procedur var inte tillräcklig för att replikera de starkare egenskaperna hos naturligt spindelsilke.
• Företaget Spiber har tagit fram ett syntetiskt spindelsilke som de kallar Q/QMONOS. I samarbete med Goldwin testas för närvarande en skidparkas gjord av detta syntetiska spindelsilke och kommer snart att masstillverkas för mindre än $120 000 YEN.

Forskningsmilstolpar

På grund av att spindelsilke är ett vetenskapligt forskningsområde med en lång och rik historia, kan det förekomma olyckliga händelser där forskare självständigt återupptäcker tidigare publicerade fynd. Vad som följer är en tabell över upptäckterna som gjorts i vart och ett av de ingående områdena, som erkänns av det vetenskapliga samfundet som relevanta och betydelsefulla genom att använda måttet för vetenskaplig acceptans, citat. Således ingår endast tidningar med 50 eller fler citeringar.

Tabell över viktiga artiklar (50 eller fler citat)

Insatsområde	År	Huvudforskare [Ref]	Titel på papper	Bidrag till fältet
Kemisk grund	1960	Fischer, F. & Brander, J.	"Eine Analyze der Gespinste der Kreuzspinne" (analys av aminosyrasammansättning av spindelsilke)
	1960	Lucas, F. et al.	"Kompositionen av leddjurssilkefibroiner; jämförande studier av fibroiner"
Gensekvens	1990	Xu, M. & Lewis, RV	"Struktur av en proteinsuperfiber − Spider Dragline Silk"
Mekaniska egenskaper	1964	Lucas, F.	"Spindlar och deras siden"	Första gången jämfört mekaniska egenskaper hos spindelsilke med andra material i en vetenskaplig artikel.
	1989	Vollrath, F. & Edmonds, DT	"Modulation av spindelsilkets mekaniska egenskaper genom beläggning med vatten"	Första viktiga papper som föreslår vattnets samspel med spindelsilkefibroin som modulerar egenskaperna hos siden.
	2001	Vollrath, F. & Shao, ZZ	"Effekten av spinnförhållanden på mekaniken hos en spindels draglina silke"
	2006	Plaza, GR, Guinea, GV, Pérez-Rigueiro, J. & Elices, M.	"Termo-hygro-mekaniskt beteende hos spider dragline silke: glasartade och gummiliknande tillstånd"	Kombinerad effekt av fukt och temperatur på de mekaniska egenskaperna. Glasövergångstemperatur beroende av luftfuktighet.
Strukturell karaktärisering	1992	Hinman, MB & Lewis, R.V	"Isolering av en klon som kodar för en andra dragline silkefibroin. Nephila clavipes dragline silke är en tvåproteinfiber"
	1994	Simmons, A. et al.	"Solid-State C-13 Nmr of Nephila-Clavipes Dragline Silk etablerar struktur och identitet för kristallina regioner"	Första NMR-studien av spindelsilke.
	1999	Shao, Z., Vollrath, F. et al.	"Analys av spindelsilke i inhemska och superkontrakterade tillstånd med hjälp av Raman-spektroskopi"	Första Raman-studien av spindelsilke.
	1999	Riekel, C., Muller, M. et al.	"Aspekter av röntgendiffraktion på enstaka spindelfibrer"	Första röntgen på silkesfibrer av enstaka spindel.
	2000	Knight, DP, Vollrath, F. et al.	"Beta-övergång och stress-inducerad fasseparation vid spinning av spindeln dragline silke"	Sekundär strukturövergångsbekräftelse under spinning.
	2001	Riekel, C. & Vollrath, F.	"Extrudering av spindelsilke: kombinerade vid- och småvinklar röntgenmikrodiffraktionsexperiment"	Första röntgen på spindelsilke.
	2002	Van Beek, JD et al.	"Den molekylära strukturen hos spindeldraglinesilke: Vikning och orientering av proteinryggraden"
Relation mellan struktur och egendom	1986	Gosline, GM et al.	"Strukturen och egenskaperna hos spindelsilke"	Första försöket att koppla struktur med egenskaper hos spindelsilket
	1994	Termonia, Y	"Molekylär modellering av spindelsilkelasticitet"	Röntgenbevis som presenteras i detta dokument; enkel modell av kristalliter inbäddade i amorfa regioner.
	1996	Simmons, A. et al.	"Molekylär orientering och tvåkomponentsnatur hos den kristallina fraktionen av spindeldraglinssilke"	Två typer av alaninrika kristallina regioner definierades.
	2006	Vollrath, F. & Porter, D.	"Spindelsilke som en arketypisk proteinelastomer"	Ny insikt och modell för spindelsilke baserad på Group Interaction Modelling.
Infödd spinning	1991	Kerkam, K., Kaplan, D. et al.	"Flytande kristallinitet av naturligt silkesekret"
	1999	Knight, DP & Vollrath, F.	"Flytande kristaller och flödesförlängning i en spindels silkesproduktionslinje"
	2001	Vollrath, F. & Knight, DP	"Flytande kristallin spinning av spindelsilke"	Det mest citerade papperet om spindelsilke
	2005	Guinea, GV, Elices, M., Pérez-Rigueiro, J. & Plaza, GR	"Stretching av supersammandragna fibrer: en länk mellan spinning och spindelsilkes variation"	Förklaring av variationen i mekaniska egenskaper.
Rekonstituerad/syntetisk spindelsilke och konstgjord spinning	1995	Prince, JT, Kaplan, DL et al.	"Konstruktion, kloning och uttryck av syntetiska gener som kodar Spider Dragline Silk"	Första framgångsrika syntesen av spindelsilke av E. coli .
	1998	Arcidiacono, S., Kaplan, DL et al.	"Rening och karakterisering av rekombinant spindelsilke uttryckt i Escherichia coli"
	1998	Seidel, A., Jelinski, LW et al.	"Konstgjord spinning av spindelsilke"	Första kontrollerade våtspinning av rekonstituerat spindelsilke.

Mänskliga användningar

En cape gjord av Madagaskars gyllene orb spindelsilke

Det tidigaste registrerade försöket att väva tyg av spindelsilke utfördes 1709 av François Xavier Bon som, med hjälp av en process som liknar att skapa sidenmaskssilke, vävde spindeläggkakonger från siden till tre par strumpor och handskar. Femtio år senare uppfann den spanske jesuitmissionären Ramón M. Termeyer en upprullningsanordning för att skörda spindelsilke direkt från en spindelkropp, så att den kunde spinnas till trådar. Varken Bon eller Termeyer var framgångsrika i att producera spindelsilke i kommersiellt gångbara kvantiteter.

Utvecklingen av metoder för att massproducera spindelsilke har lett till tillverkning av militära, medicinska och konsumentvaror, såsom ballistiska rustningar , atletiska skor, personliga hygienprodukter , bröstimplantat och kateterbeläggningar , mekaniska insulinpumpar , modekläder och ytterkläder . Men på grund av svårigheterna med att utvinna och bearbeta betydande mängder spindelsilke är det största kända tygstycket tillverkat av spindelsilke en textil på 3,4 x 1,2 m (3,4 x 1,2 m) med en gyllene nyans gjord på Madagaskar i 2009. Åttiotvå personer arbetade i fyra år för att samla in över en miljon gyllene klotspindlar och utvinna silke från dem. 2012 användes spindelsilkefibrer för att skapa en uppsättning fiolsträngar.

Medicinska tillämpningar

Bönder i södra Karpaterna brukade skära upp rör byggda av Atypus och täcka sår med innerfodret. Det har enligt uppgift underlättat läkning och till och med kopplat till huden. Detta tros bero på spindelsilkets antiseptiska egenskaper och eftersom silket är rikt på vitamin K , vilket kan vara effektivt för att koagulera blod. Siden från Nephila clavipes användes i forskning om däggdjurs neuronal regenerering.

Vetenskapliga instrument

Spindelsilke har använts som tråd för hårkors i optiska instrument som teleskop, mikroskop och teleskopiska gevärssikten . Under 2011 användes spindelsilkefibrer inom optikområdet för att generera mycket fina diffraktionsmönster över N-slits interferometriska signaler som används i optisk kommunikation. Spindelsilke har använts för att skapa biolinser som kan användas tillsammans med lasrar för att skapa högupplösta bilder av insidan av människokroppen.

Spindelsilke har använts för att suspendera fusionsmål för tröghetsinneslutning under lasertändning, eftersom det förblir avsevärt elastiskt och har hög energi att bryta vid temperaturer så låga som 10–20 K. Dessutom är det tillverkat av "lätta" atomnummerelement som inte kommer att avge röntgenstrålar under bestrålning som kan förvärma målet så att tryckskillnaden som krävs för fusion inte uppnås.

externa länkar

• "The Silk Spinners" , ett BBC-program om silkesproducerande djur
•    Meadows, Robin (5 augusti 2014). "Hur spindlar spinner silke" . PLOS Biologi . 12 (8): e1001922. doi : 10.1371/journal.pbio.1001922 . PMC 4122354 . PMID 25093404 .
• Rejcek, Peter (11 april 2019). "Det trassliga nätet av att förvandla spindelsilke till ett supermaterial" . Singularity Hub . Hämtad 24 april 2019 .
• Arkiverad på Ghostarchive and the Wayback Machine : Victoria and Albert Museum (29 juli 2019). "Hur gjordes det? Gyllene spindelsilke" . YouTube . Hämtad 8 augusti 2020 .
• "Syntetiskt spindelsilke starkare och segare än den äkta varan" . Ny Atlas . 21 juli 2021 . Hämtad 21 juli 2021 .