Forskere skaber læderlignende materiale ud fra silkeproteiner

Læder er en stadigt voksende industri på flere milliarder dollar, der kræver mere end 3,8 milliarder kvæg – svarende til én for hver to mennesker på jorden – for at opretholde produktionen hvert år. Og mens produkterne – tøj, sko, møbler og mere - kan være ret elegante og holdbare, miljøpåvirkningen af ​​læderproduktion har været alvorlig, fører til skovrydning, overforbrug af vand og jord, miljøforurening, og drivhusgasemissioner.

Forskere ved Tufts University School of Engineering satte sig for at finde et alternativ til læder, med lignende tekstur, fleksibilitet og stivhed, men alligevel fokuseret på materialer, der er bæredygtige, ikke giftig, og miljøvenlig. Det viser sig, vi har båret det materiale hele tiden - det er silke, men i stedet for at væve silken til stof, Tufts-ingeniørerne var i stand til at nedbryde fibrene fra silkeormskokoner til deres proteinkomponenter, og genbrug proteinerne til at danne det læderlignende materiale. Processen til fremstilling af silkebaseret læder er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Materialer &Design .

Det silkebaserede læder kan printes i forskellige mønstre og teksturer, har lignende fysiske egenskaber som ægte læder, og kan modstå foldningen, piercing, og stretching, der typisk bruges til at skabe lædervarer, herunder evnen til at sy stykker materiale sammen og fastgøre hardware såsom nitter, tyller, håndtag og spænder.

"Vores arbejde er centreret om brugen af ​​naturligt afledte materialer, der minimerer brugen af ​​giftige kemikalier, samtidig med at materialets ydeevne bibeholdes for at give alternativer til produkter, der er almindeligt og meget brugt i dag, " sagde Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble professor i ingeniørvidenskab ved Tufts School of Engineering, direktør for Tufts Silklab, hvor materialet blev skabt, og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Ved at bruge silke, samt cellulose fra tekstil- og landbrugsaffald og chitosan fra skaldyrsaffald, og alle de relativt blide kemier, der bruges til at kombinere dem, vi gør fremskridt mod dette mål."

Der er naturligvis allerede en eksisterende portefølje af alternative læder udviklet af industrien og forskningsmiljøet, med fokus på at bruge landbrugsbiprodukter eller regenererede materialer, der har en reduceret påvirkning af miljøet og dyreavl. Disse omfatter læderlignende materialer fremstillet af petroleum (polyurethanlæder eller 'læder'), bark, ananas skaller, planteolier, gummi, svampe, og endda fra cellulose og kollagen produceret af bakteriekulturer.

Det silkebaserede læder fremstillet hos Tufts tilbyder nogle unikke fordele ved alle disse tilgange. Ud over at være afledt af at opløse silkefibre, fremstilling er vandbaseret, bruger kun milde kemikalier, udført ved stuetemperatur, og producerer for det meste ikke-giftigt affald. Silkelædermaterialet kan fremstilles ved hjælp af computerstyret 3D-lag med evnen til at skabe almindelige mikromønstre, der kan justere materialets styrke og fleksibilitet, print makromønstre til æstetik (f.eks. en kurvefletning) samt ikke-regelmæssige geometriske mønstre for at efterligne overfladestrukturen af ​​ægte læder. De resulterende materialer, som læder, er stærke, blød, bøjelig, og holdbar, og som naturligt læder, de er biologisk nedbrydelige, når de kommer i affaldsstrømmen.

Faktisk, silkelæderprodukterne kunne genopløses og regenereres til dets gel-lignende lagermateriale for at blive genprintet til nye produkter

Processen med at fremstille silkelæderet starter med silkefibre, som er almindeligt anvendt i tekstilindustrien. Disse fibre består af silkefibroinproteinpolymerer, og de kan nedbrydes til dets individuelle proteinkomponenter i en vandbaseret gylle. Et basislag af chitosan indeholdende et ikke-toksisk blødgøringsmiddel glycerol og farvestof er trykt ved ekstrudering gennem en lille dyse på en overflade for at give fleksibilitet og styrke til materialet. Chitosan er i sig selv afledt af naturlige kilder såsom skaller af krabbehummere og rejer. Et lag silkefibroin kombineret med blødgører og et fortykningsmiddel (fra vegetabilsk tyggegummi) er trykt på toppen af ​​basislaget.

Ekstrudering af fibroinopslæmningen gennem printerdysen skaber forskydningskræfter, der kan bidrage til at arrangere proteinerne på en måde, der styrker materialet, gør det duktilt snarere end skørt, og efterligner den naturlige ekstrudering, der forekommer i silkekirtlen på en orm eller edderkop. Ændring af det trykte mønster af silkelaget kan give en række udseende, justerbare styrker og andre fysiske egenskaber.

Trykmetoden, også kaldet "additiv fremstilling" er kendt for at være meget konservativ i brugen af ​​materialer og affald produceret sammenlignet med andre metoder som sprøjtestøbning eller subtraktiv fremstilling (som udskæring eller barbering fra en blok).

Silklab hos Tufts har udviklet en lang række andre produkter fra silke, fra implanterbart medicinsk udstyr til arkitektoniske materialer, der kan mærke og reagere på miljøet ved at skifte farve. Faktisk, meget af den teknologi, der er blevet udviklet i laboratoriet til at derivatisere silkeproteinerne, kan anvendes på det silkebaserede læder, herunder vedhæftning og indlejring af molekyler, der kan sanse og reagere på det omgivende miljø.

"Det er fordelen ved at bruge silkeprotein frem for andre metoder - det har en veletableret, alsidig kemi, som vi kan bruge til at tune materialets kvaliteter og indlejre smarte elementer som sansemolekyler, " sagde Laia Mogas-Soldevila, tidligere forskningsstipendiat i Silklab, i øjeblikket assisterende professor i arkitektur ved University of Pennsylvania Stuart Weitzman School of Design og førsteforfatter af undersøgelsen. "Så selvom der kan være mange muligheder for læderlignende materialer, silkebaseret læder har potentialet til at være mest modtageligt for innovative designs."