Mikrobiell biotillverkning och grön bearbetning inspirerad av kulturarvet erbjuder en väg till en cirkulär materialekonomi. Kredit:Theanne Schiros/Columbia Engineering and FIT
Sedan den industriella revolutionens början har klädproduktionen varit på en ohållbar väg. Liksom de flesta tillverkningsindustrin, produceras textilier på ett linjärt sätt med en vagga-till-grav-modell. Tyger som bomull odlas, bärs, används och slängs sedan. Textilindustrin som helhet står för 10 % av de globala koldioxidutsläppen, där läder är särskilt skadligt.
Nötkreatursindustrin är den enda ledande drivkraften för avskogning, och garvning av läder skapar en hel del kemisk förorening. Dessa utmaningar har motiverat ett sökande efter mer hållbara textilier, särskilt läderalternativ.
Ett team med erfarenhet av framgångsrikt samarbete kan ha ett svar. Forskare inom biomedicinsk teknik vid Columbia Engineering meddelade nyligen att de har skapat ett komposterbart bioläder med överlägsen flamskydd och låg miljöpåverkan. Deras mikrobiella nanocellulosa (MC) bioläder har en 1 000 gånger lägre cancerframkallande effekt än koläder och ett betydligt mindre koldioxidavtryck än syntetiskt läder eller bomull. Deras studie publicerades i Environmental Science:Advances .
Teamet, ledd av Theanne Schiros och Helen Lu, tillsammans med Ph.D. kandidaten Romare Antrobus, har arbetat tillsammans i flera år i Columbias Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) för att utveckla material för ett brett spektrum av tillämpningar från biomedicin till energi, elektronik och textilier, lade grunden för att uppfinna detta mångsidiga nya material.
"Vårt bioläder representerar ett genombrott inte bara för textilier utan visar andra industrier hur man utforskar en hållbar tillverkningsprocess för att konstruera regenerativa material", säger Lu, professor i biomedicinsk teknik och senior vice dekan för fakultetsfrågor och avancemang vid Columbia Engineering.
För att göra högpresterande biotextilier utnyttjade teamet mikrobiell biosyntes av nanocellulosa, och hämtade inspiration från förindustriell och inhemsk vetenskap. Schiros antog att en huvudkomponent i däggdjurshjärnan som använts i årtusenden för att garva hudar till läder - lecitinfosfatidylkolin - skulle stabilisera interaktionen av cellulosa med både vatten och lipider i en garvningsemulsion och modifiera materialegenskaperna hos MC genom dess hydrofila grupper för att göra den lämpar sig för användning som bioläder.
När forskarna använde traditionella hjärn- och rökgarvningsprocesser noterade de en ökning av draghållfasthet och duktilitet hos MC, vilket uppmuntrade denna undersökningslinje. Deras upptäckt ledde till utvecklingen av en miljövänlig, växtbaserad lecitin-"garvningsprocess" för nanocellulosa som skapade ett starkt, komposterbart bioläder.
Denna nya process kommer inte bara att förändra framtida textilutveckling utan också kulturarvsforskning. Medan civilisationer runt om i världen har skapat hållbara och hållbara textilier sedan antiken, har de flesta av dessa gamla tekniker gått förlorade.
"Vårt team samarbetar nu med forskare vid Metropolitan Museum of Art för att utveckla en databas för bevarandestudier för artefakter i deras kulturarvssamlingar och för att förstå mekanismen bakom historisk hjärn- och organgarvning", säger Schiros, docent i materialvetenskap vid Fashion Institute of Technology och adjungerad biträdande forskare vid Columbias MRSEC.
Efter att ha kommit igång med modern design skapade forskarna ett par naturligt färgade, mikrobiella biolädersneakers i ett samarbete med Public School NY. Sneakersna är en del av en utställning, Towards a Circular Society:Learning from Nature, som för närvarande visas på University of Berns Wyss Academy for Nature. De kommer också att synas i en separat utställning på Montreal Museum of Fine Arts.
Den här nya studien bygger på forskarnas framgångsrika omtanke om tillverkning genom linsen av biomaterial och den cirkulära ekonomin, inklusive två startups utvunna från deras labb, Algiknit, som gör kelpbaserade biofibrer, och Wewool, som har skapat en plattform för hög -prestanda regenerativa textilfibrer med DNA-programmerad färg och funktion, såsom stretch eller vattentätning, tillhandahållna av konstruerade proteiner.
Med sina prestationer i att utnyttja mikrobernas kraft och utveckla paleo-inspirerade gröna bearbetningstekniker, förväntar Lu och Schiros att biotillverkning kommer att spela en avgörande roll för att underlätta en övergång till en mer hållbar ekonomi. MC erbjuder en modulär ingenjörsplattform för högpresterande regenerativa material med olika tillämpningar, från vävnadsteknik till batterier, elektronik, biosensorer och föroreningssanering, som forskarna fortsätter att utforska.
Romare Antrobus, doktorand och medförfattare till studien, som undersökte ett prov av det komposterbara biolädret som tillverkats i Schiros labb vid FIT och karakteriserats vid Lu-labbet. Kredit:John Abbott/Columbia Engineering
Schiros tror att den breda användbarheten av deras forskning kanske bara är en tidsfråga. Hon tillade att "biotillverkningsmetoden som utvecklats här kan stimulera och påskynda ett paradigmskifte till en cirkulär materialekonomi, avgörande för globala klimatmål och hållbar utveckling." + Utforska vidare
