计算协议总结，用于模拟拉伸蜘蛛丝纤维。(A) 单个 16 重复模拟蜘蛛丝蛋白的快照，以及未拉伸状态下的 dPD 模拟。(B) 通过施加拉力 (Fp) 使单个 16 重复蜘蛛丝蛋白拉伸后的快照，以及拉伸状态下的 dPD 模拟。(C) 最后，通过高频变形将拉伸后的纤维拉伸至断裂，并测量其相对机械性能。

蜘蛛丝因其卓越的机械性能而备受关注，其强度与钢铁相当，韧性可与尼龙和凯夫拉纤维媲美。尽管合成蜘蛛丝纤维在强度和韧性方面仍无法完全复制天然蜘蛛丝，但其生物相容性、可降解性和抗菌性使其在医用缝合线、组织工程和高性能材料等领域具有广阔的应用前景。然而，目前对蜘蛛丝纺丝过程中拉伸如何影响纤维结构和性能的理解仍然有限。

研究团队通过粗粒化耗散粒子动力学（DPD）模拟和实验验证相结合的方法，研究了蜘蛛丝纤维在拉伸过程中的分子动力学。他们模拟了不同分子量的蜘蛛丝蛋白在溶剂中的行为，并通过施加拉力来模拟纤维的拉伸过程。模拟结果表明，拉伸使蛋白质链的端到端长度增加，分子间氢键数量显著上升。此外，团队还通过湿法纺丝和拉伸实验验证了模拟结果的准确性。

分子排列对氢键和均方根位移 (MSD) 的影响。(A) 不同分子量的模拟蛋白质在排列状态下的氢键总数 (HBtot) 与未排列状态下的氢键总数 (HBas) 的比值。(B) 与总氢键数 (HBtot) 的比值，表示蛋白质间氢键数 (HBinter) 的比例。(C) 与未排列状态相比，HBinter/HBtot 的百分比变化 (ΔHBinter/HBtot %)。(D) 在拉伸步骤结束时，不同排列程度的系统快照，展示了从球状结构到层状结构的转变。(E) 所有蛋白质的 1 ns 平均均方根位移 (<U2ab>) 随 s0 的变化。(F) “b” 型非晶态珠子的 1 ns 平均均方根位移 (<U2b>) 随 s0 的变化。(G) “a” 型晶态珠子的 1 ns 平均均方根位移 (<U2a>) 随 s0 的变化

研究发现，拉伸过程显著增强了蜘蛛丝纤维的机械性能。模拟结果显示，当蛋白质链的赫尔曼序参数（s0）从0增加到0.47时，纤维的最大应力（σm）从约10 MPa增加到超过100 MPa，断裂应变（ϵm）从约10%增加到超过200%。实验中，通过湿法纺丝制备的蜘蛛丝纤维在拉伸比（λdraw）为6时，其最大应力达到约150 MPa，断裂应变超过250%，韧性显著提升。此外，拉伸后的纤维在分子水平上表现出更高的β-折叠排列和氢键密度，这与模拟结果一致。这些发现表明，拉伸不仅增强了纤维的强度和韧性，还通过增加分子间氢键数量和蛋白质链的排列整齐度，显著提升了纤维的整体性能。

重组淀粉样-蜘蛛丝蛋白合成、纤维湿法纺丝及表征。(A) 重组 16xFGA 蛋白纤维生产的示意图。(B) 不同拉伸比下 16xFGA 蛋白纤维的代表性应力-应变曲线。(C) 不同拉伸比下 16xFGA 蛋白纤维的最大应力 (σm)。(D) 不同拉伸比下 16xFGA 蛋白纤维的弹性

Graham表示：“工程化蜘蛛丝不仅具有高强度，还具有可生物降解的特性，这使其在医用材料领域具有巨大的应用潜力。例如，它可以用于开发可自然降解的外科缝合线和伤口封闭凝胶。” 他还提到，这种材料的高强度和韧性也使其有望成为传统石油基塑料的理想替代品。

该研究为开发高性能、可生物降解的人工蜘蛛丝材料提供了重要的理论支持。通过调控拉伸过程，可以精确设计纤维的机械性能，使其在医用缝合线、组织工程支架和高性能防护装备等领域具有广阔的应用前景。未来的研究将进一步优化纺丝工艺和材料设计，以实现蜘蛛丝纤维的工业化生产。