Läder är en ständigt växande industri på flera miljarder dollar som kräver mer än 3,8 miljarder nötkreatur-lika med en för varannan människa på jorden-för att upprätthålla produktionen varje år. Och medan produkterna - kläder, skor, möbler och mer - kan vara ganska eleganta och hållbara, miljöpåverkan av läderproduktion har varit allvarlig, som leder till avskogning, över- och vattenanvändning, miljöförorening, och utsläpp av växthusgaser.

Forskare vid Tufts University School of Engineering bestämde sig för att hitta ett alternativ till läder, med liknande konsistens, flexibilitet och styvhet, ändå fokuserat på material som är hållbara, giftfri, och miljövänlig. Det visar sig, vi har haft det materialet hela tiden - det är siden, men istället för att väva silket i tyg, Tufts ingenjörer kunde bryta ner fibrerna från silkesmaskkokonger till deras proteinkomponenter, och omformulera proteinerna för att bilda det läderliknande materialet. Processen för att tillverka sidenbaserat läder beskrivs i en studie publicerad i tidskriften Material och design .

Det sidenbaserade lädret kan skrivas ut i olika mönster och texturer, har liknande fysiska egenskaper som äkta läder, och tål vikningen, genomträngande, och stretching som vanligtvis används för att skapa lädervaror, inklusive möjligheten att sy ihop bitar av material och fästa hårdvara som nitar, grommets, handtag och spännen.

"Vårt arbete är inriktat på användningen av naturligt härledda material som minimerar användningen av giftiga kemikalier samtidigt som materialets prestanda bibehålls för att ge alternativ för produkter som är vanliga och allmänt använda idag, "sa Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor i teknik vid Tufts School of Engineering, direktör för Tufts Silklab där materialet skapades, och motsvarande författare till studien. "Genom att använda silke, samt cellulosa från textil- och jordbruksavfall och kitosan från skalfiskavfall, och alla de relativt skonsamma kemierna som används för att kombinera dem, vi gör framsteg mot detta mål. "

Det finns naturligtvis redan en befintlig portfölj av alternativa läder som utvecklats av industrin och forskarsamhället, med fokus på att använda jordbruksbiprodukter eller regenererade material som har en minskad påverkan på miljön och djuruppfödning. Dessa inkluderar läderliknande material tillverkade av petroleum (polyuretanläder eller 'pleather'), bark, ananasskal, växtoljor, sudd, svampar, och även från cellulosa och kollagen som produceras av bakteriekulturer.

Det sidenbaserade lädret från Tufts erbjuder några unika fördelar med alla dessa metoder. Förutom att de härrör från upplösande sidenfibrer, tillverkningen är vattenbaserad, använder endast milda kemikalier, utförs vid rumstemperatur, och producerar mestadels giftfritt avfall. Materialet i sidenläder kan tillverkas med hjälp av datoriserad 3D -skiktning med förmågan att skapa vanliga mikropönster som kan anpassa materialets styrka och flexibilitet, skriv ut makropönster för estetik (t.ex. en korgvävning) samt icke-vanliga geometriska mönster för att efterlikna ytstrukturen i äkta läder. De resulterande materialen, som läder, är starka, mjuk, smidig, och hållbar, och som naturläder, de är biologiskt nedbrytbara när de kommer in i avfallsflödet.

Faktiskt, silkeskinnsprodukterna kan återupplösas och regenereras till dess geliknande material för att tryckas om till nya produkter

Processen att tillverka sidenlädret börjar med sidenfibrer som vanligtvis används i textilindustrin. Dessa fibrer består av silkefibroinproteinpolymerer, och de kan brytas ned till dess individuella proteinkomponenter i en vattenbaserad uppslamning. Ett baslager av kitosan innehållande en giftfri mjukgörare glycerol och färgämne trycks genom extrudering genom ett litet borrmunstycke på en yta för att ge materialet flexibilitet och styrka. Kitosan härstammar självt från naturliga källor som skal av krabba hummer och räkor. Ett lager silkefibroin kombinerat med mjukningsmedel och ett förtjockningsmedel (från vegetabiliskt gummi) trycks ovanpå basskiktet.

Att extrudera fibroin -uppslamningen genom skrivarmunstycket skapar skjuvkrafter som kan bidra till att ordna proteinerna på ett sätt som stärker materialet, gör det segare snarare än sprött, och härmar den naturliga extruderingen som uppstår i sidenkörteln hos en mask eller spindel. Att ändra det tryckta mönstret i sidenlagret kan ge ett utseende, justerbara styrkor och andra fysiska egenskaper.

Utskriftsmetoden, även kallad "additiv tillverkning" är känt för att vara mycket konservativ i användningen av material och avfall som produceras jämfört med andra metoder som formsprutning eller subtraktiv tillverkning (som att hugga eller raka sig från ett block).

Silklab på Tufts har utvecklat ett brett utbud av andra produkter från siden, från implanterbar medicinsk utrustning till arkitektoniska material som kan känna och reagera på miljön genom att ändra färg. Faktiskt, mycket av den teknik som har utvecklats i laboratoriet för att härleda sidenproteinerna kan appliceras på det sidenbaserade lädret, inklusive att fästa och bädda in molekyler som kan känna och reagera på den omgivande miljön.

"Det är fördelen med att använda sidenprotein framför andra metoder-det har en väletablerad, mångsidig kemi som vi kan använda för att justera materialets kvaliteter och bädda in smarta element som avkänningsmolekyler, "sa Laia Mogas-Soldevila, tidigare forskare i Silklab, för närvarande assisterande professor i arkitektur vid University of Pennsylvania Stuart Weitzman School of Design och första författare till studien. "Även om det kan finnas många alternativ för läderliknande material, sidenbaserat läder har potential att vara mest mottaglig för innovativa mönster. "