大自然啟發了人們制備各種仿生結構。天然蜘蛛絲具有優異的強度和韌性，主要是源于其特殊的層次結構，例如β-薄片交聯點、分子鏈高度排列的螺旋納米組件和剛性鞘-軟芯等。已有許多研究者通過模擬這些特性來實現較好的人造纖維性能，然而，如何巧妙利用紡絲過程同時實現上述層次結構特點仍具有挑戰性。

近日，南開大學劉遵峰、中國藥科大學周湘與東華大學朱美芳研究團隊受蜘蛛絲蛋白結構的啟發，制備了一種可溶的交聯納米凝膠，并紡制了具有類似蜘蛛絲層次結構的交聯纖維，為高強高韌纖維材料的直接紡絲提供了一種新策略。

蜘蛛絲蛋白中的β-薄片作為交聯點，其交聯網絡位于納米尺寸大小的球狀蛋白內。因此，蛛絲蛋白具有可溶性，可通過自組裝直接紡制成分層纖維。受蛛絲結構和紡絲工藝啟發，研究者制備了具有內部交聯網絡的可溶性納米凝膠，通過控制自由基聚合過程中交聯劑的濃度，制備出適用于不同單體的納米凝膠。當交聯劑含量從0.15%增加到1.05%時，納米凝膠大分子的直徑和聚集量逐漸增大。

為研究納米凝膠拉伸紡絲能力與粒徑的關系，研究者將纖維在機械測試儀上進行紡絲，直至纖維斷裂，同時測量機械應力。通過理論模型預測出，導致納米凝膠斷裂的臨界應力與納米顆粒半徑的平方根成反比。

為進一步研究是否可以通過添加成核粒子來調節納米組件的尺寸和排列，以提高纖維力學性能，研究者制備了單壁碳納米管/聚多巴胺(SWNT-PDA)復合物，并在SWNT-PDA存在下合成了交聯劑含量為0.15%的納米凝膠，隨后研究了成核粒子的引入對納米凝膠纖維結構和性能的影響。結果表明，隨著SWNT-PDA含量的增加，納米凝膠纖維的斷裂強度、斷裂應變和韌性呈現上升趨勢，納米組件的排列更加整齊，平均直徑減小。

通過纖維的預拉伸，分子鏈的排列顯著增加，纖維平均直徑減小。對于預拉伸應變為50%的纖維，該結構演變顯著提高了纖維的機械強度，并降低了其斷裂伸長率。經過進一步的加捻優化，最終實現了纖維斷裂強度1.27GPa和韌性383MJ /m3的組合，與天然蜘蛛絲的性能值非常接近。