Forskare har skapat en växtbaserad, hållbar, skalbart material som skulle kunna ersätta engångsplaster i många konsumentprodukter.

Forskarna, från University of Cambridge, skapade en polymerfilm genom att efterlikna egenskaperna hos spindelsilke, ett av de starkaste materialen i naturen. Det nya materialet är lika starkt som många vanliga plaster som används idag och skulle kunna ersätta plast i många vanliga hushållsprodukter.

Materialet skapades med ett nytt tillvägagångssätt för sammansättning av växtproteiner till material som efterliknar silke på molekylär nivå. Den energieffektiva metoden, som använder hållbara ingredienser, resulterar i en plastliknande fristående film, som kan tillverkas i industriell skala. Icke-blekande "strukturell" färg kan läggas till polymeren, och den kan också användas för att göra vattentåliga beläggningar.

Materialet är hemmakomposterbart, medan andra typer av bioplaster kräver industriella komposteringsanläggningar för att brytas ned. Dessutom, det Cambridge-utvecklade materialet kräver inga kemiska modifieringar av dess naturliga byggstenar, så att den säkert kan brytas ned i de flesta naturliga miljöer.

Den nya produkten kommer att kommersialiseras av Xampla, ett spin-out-företag från University of Cambridge som utvecklar ersättningar för engångsplast och mikroplast. Företaget kommer att introducera en rad engångspåsar och kapslar senare i år, som kan ersätta plasten som används i vardagsprodukter som diskmaskinstabletter och tvättmedelskapslar. Resultaten redovisas i tidskriften Naturkommunikation .

Under många år, Professor Tuomas Knowles vid Yusuf Hamied Department of Chemistry i Cambridge har forskat om proteiners beteende. Mycket av hans forskning har fokuserats på vad som händer när proteiner felveckas eller "uppför sig fel", och hur detta relaterar till hälsa och mänskliga sjukdomar, främst Alzheimers sjukdom.

"Vi undersöker normalt hur funktionella proteininteraktioner tillåter oss att förbli friska och hur oregelbundna interaktioner är inblandade i Alzheimers sjukdom, sa Knowles, som ledde den aktuella forskningen. "Det var en överraskning att finna att vår forskning också kunde ta itu med ett stort problem inom hållbarhet:det med plastföroreningar."

Som en del av deras proteinforskning, Knowles och hans grupp blev intresserade av varför material som spindelsilke är så starka när de har så svaga molekylära bindningar. "Vi fann att en av nyckelfunktionerna som ger spindelsilke dess styrka är att vätebindningarna arrangeras regelbundet i rymden och med en mycket hög densitet, sa Knowles.

Medförfattare Dr Marc Rodriguez Garcia, en postdoktor i Knowles grupp som nu är chef för FoU på Xampla, började titta på hur man replikerar denna vanliga självmontering i andra proteiner. Proteiner har en benägenhet för molekylär självorganisering och självmontering, och växtproteiner i synnerhet är rikliga och kan anskaffas på ett hållbart sätt som biprodukter från livsmedelsindustrin.

"Väldigt lite är känt om självmontering av växtproteiner, och det är spännande att veta att genom att fylla denna kunskapslucka kan vi hitta alternativ till engångsplaster, " sa doktorand Ayaka Kamada, tidningens första författare.

Forskarna har framgångsrikt replikerat strukturerna som finns på spindelsilke genom att använda sojaproteinisolat, ett protein med en helt annan sammansättning. "Eftersom alla proteiner är gjorda av polypeptidkedjor, under rätt förhållanden kan vi få växtproteiner att självbilda sig precis som spindelsilke, sade Knowles. I en spindel, silkesproteinet löses i en vattenlösning, som sedan sätts ihop till en oerhört stark fiber genom en spinnprocess som kräver väldigt lite energi."

"Andra forskare har arbetat direkt med silkesmaterial som plastersättning, men de är fortfarande en animalisk produkt, ", sa Rodriguez Garcia. "På ett sätt har vi kommit fram till "veganskt spindelsilke" – vi har skapat samma material utan spindeln."

Varje ersättning för plast kräver en annan polymer - de två i naturen som finns i överflöd är polysackarider och polypeptider. Cellulosa och nanocellulosa är polysackarider och har använts för en rad applikationer, men kräver ofta någon form av tvärbindning för att bilda starka material. Proteiner sätts ihop själv och kan bilda starka material som silke utan några kemiska modifieringar, men de är mycket svårare att arbeta med.

Forskarna använde sojaproteinisolat (SPI) som sitt testväxtprotein, eftersom det är lättillgängligt som en biprodukt vid produktion av sojabönolja. Växtproteiner som SPI är dåligt lösliga i vatten, vilket gör det svårt att kontrollera sin självmontering till ordnade strukturer.

Den nya tekniken använder en miljövänlig blandning av ättiksyra och vatten, kombinerat med ultraljud och höga temperaturer, för att förbättra lösligheten av SPI. Denna metod producerar proteinstrukturer med förbättrade intermolekylära interaktioner styrda av vätebindningsbildningen. I ett andra steg avlägsnas lösningsmedlet, vilket resulterar i en vattenolöslig film.

Materialet har en prestanda som motsvarar högpresterande ingenjörsplaster som polyeten med låg densitet. Dess styrka ligger i det regelbundna arrangemanget av polypeptidkedjorna, vilket betyder att det inte finns något behov av kemisk tvärbindning, som ofta används för att förbättra prestandan och motståndskraften hos biopolymerfilmer. De vanligaste tvärbindningsmedlen är icke hållbara och kan till och med vara giftiga, medan inga giftiga element krävs för den Cambridge-utvecklade tekniken.

"Detta är kulmen på något vi har arbetat med i över tio år, som är att förstå hur naturen genererar material från proteiner, ", sa Knowles. "Vi ville inte lösa en hållbarhetsutmaning – vi motiverades av nyfikenhet på hur man skapar starka material från svaga interaktioner."

"Det viktigaste genombrottet här är att kunna kontrollera självmontering, så vi kan nu skapa högpresterande material, " sa Rodriguez Garcia. "Det är spännande att få vara med på den här resan. Det finns en enorm, enorma problem med plastföroreningar i världen, och vi har den lyckliga positionen att kunna göra något åt ​​det."