Innovative regenererede tekstilfibre – af protein

Og jeg fortsætter ufortrødent med at følge med, efter de forrige indlæg om innovative regenererede tekstilfibre; endnu flere innovative anvendelser af metoderne til regenerering af organisk materiale til tekstile fibre, denne gang er udgangspunktet protein-baseret.

Ved sidste års amerianske BioDesign Challenge, var det en gruppe studerende fra Fashion Institute of Technology i New York der vandt, med deres bidrag af strikket alginat. Alginat fra alger var forinden blevet ‘wet-spundet’ til ‘filament’ ved at ekstrudere alginat-masse ud i calcium klorid opløsning (i øvrigt samme metode der benyttes ved spherification indenfor molekylær gastronomi), i forskellige blandingsforhold med  polysaccharidet chitosan (som også kort blev beskrevet i dette indlæg) og eddike syre.

 

I Schweiz har en forskerspire, Philipp Stössel / ETH Zürich) arbejdet med at fremstille tekstil fibre af gelatine fra slagteri affald (ja, det samme som husblas. Og ja, fremstillingen af det, ER ret ulækker;-)), der er blevet strikket til en handske, der rent faktisk var vandfast.

 

 

Hvad der er ganske interessant er at gelatine (kollagen-protein) også findes i det kommercielt tilgængelige tekstil materiale, UMORFIL®, hvor kollagen stammer fra fiskeskæl, og blandes med viskose-processeret cellulose, inden materialet spindes/størknes som tekstil fiber.

Fra et thaiwansk spinderi, er nedenstående hentet:

1. Beauty fiber is a recycled fiber of animal protein materials; it is composed by collagen peptide amino acid and rayon fiber, which can be decomposed by earth.

2. fabric made from UMORFIL is friendly to the skin with moisture function, cozy to wear, and the most unique point of this fabric is collagen peptide amino acid ingredient will keep active even after washing, which provide a persistent quality and functionality for the textile products.

Jeg gad VIRKELIG godt have noget af dette tekstile materiale mellem fingrene. -Og i mikroskopet:-)

Og nåeh ja, så er der seføli også lige Adidas’ spider-sko; af rekombinant produceret edderkoppe-silke. Jeg har tidligere skrevet om denne slags laboratorie-fremstillede bio-materialer. Superspændende, perspektiv-rigt initiativ!

© adidas Group (photographer: Hannah Hlavacek)

Det er skisme spændende! Det bliver virkelig interessant at følge udviklingen. Og forhåbentlig selv komme til at fremstille noget lignende!

Superwash (“anti-felt”) behandling af uld

Uld kradser. Eller retter; NOGET uld kradser. Der er nemlig stor forskel på forskellige typer ulds tilbøjelighed til “at kradse”. Dertil komme at uld kan behandles, under forædlingen af rå uld til tekstilfiber, så ulden ikke længere kradser helt så meget. Denne type behandles kendes som superwash behandling eller anti-felt behandling. Når ulden efter-behandles på denne måde, bevirker det nemlig både at den kradser mindre, men også at den bedre tåler maskinvask, uden at krympe.

Grunden til at uld krymper ved vask, og kradser, skyldes den fysiske opbygning af uld-fiberen. Overfladen er særdeles ru, da den er opbygget med en skæl-struktur, der mindre hvordan tagsten lægges.

På billedet herover ses forskellige tekstile fibre i forstørrelse (ved hjælp af skanning elektron mikroskopi). Der ses tydelig “skæl-struktur” for de forskellige uld-typer, corse (grov), fine, alpaca, cashmere, og denne skælstruktur er især påfaldende for uld-fibrene, når man sammenligner med de andre fiber-typer; silke, linen (hør), cotton (bomuld) og polyester.

Det ses også at der er forskel på størrelsen af skællene på de forskellige uld-fibre, og at fibrene har forskellig tykkelse. Skællene er dem, der bevirker at det kan opleves at uld “kradser”, og at uld krymper ved vask; skællene virker simpelthen som modhager, så fibrene filter sammen.

Derfor, når man forsøger at modvirke at uld kradser og krymper, arbejder man ud fra princippet for at få formindsket skællene. Dette kan gøres på forskellige måder;

  • formindske skællene ved at nedbryde dem, kemisk eller enzymatisk.
  • “coate” fiber-overfladen, så der lægges en tynd hinde hen overskæl-strukturen.

Kemisk formindskelse af skællene har typisk været udført med klor eller basisk væske. Begge behandlinger kendes som værende ganske miljøbelastende, især hvis der ikke er ordnede forhold for spildevands-rensning. Den enzymatiske formindskelse af uldens skæl kendes som for eksempel bio-poolishing, og betragtes som værende mere miljøvenlig. Her benyttes enzymer fra for eksempel Novozymes, til at nedbryde spidserne på skællene, så de ikke er så skarpe længere.

Coating af uld-fibre, hvor der lægges en tynd hinde rundt om hver enkelt uld-fiber, kan benyttes sig af forskellige polymere til at coat’e fibrene.

Dilling, dansk producent af økologisk undertøj, har lavet en fin, pædagogisk grafisk fremstilling af princippet for de forskellige behandlinger af uld-fibrene.

Coat’ede uldfibre opleves typisk som værende blødere end kemisk og/eller enzymatisk behandlede fibre, da modhagerne er helt dækkede. Til gengæld mistes også nogle af ulds andre gode egenskaber, nemlig evnen til at binde fugt og modvirke sved-lugt. -Og, der er en tilbøjelighed til at coatingen/hinden vaskes af, med tiden, så man kan opleve at ens yndlings-uldtrøje lige pludselig krymper ved vask, efter at være blevet vasket uden problemer masser af gange…

 

I forhold til coating af uld-fibrene, sker der spændende teknologiske landvindinger; Schoeller-gruppen vandt således i 2013 Outdoor Industry Award 2013 GOLD prisen for deres chlorine-free EXP 4.0 machine-washable treatment. 

Princippet for Schoellers EXP-metode illustreres i denne figur:

 I stedet for at overtrække hele fiberen med en vand-holding hinde, “beklædes” kun de steder på uldfiberen hvor modhagerne/skællene er. Det beskrives på Schoellers webside at der benyttes ecological polymer i micro patches. Af deres webside fremgår det at EXP is the first wool finishing process in the world to meet the strict criteria of the “bluesign®” and “Global Organic Textile (G.O.T.S)” standards, and it also conforms with the “Öko-Tex standard”.

 

 

 

 

Tekstilfibre af lab-fremstillede (rekombinante) proteiner

2015-07-24-1437765014-8619988-boltthreads-thumb

At proteiner kan spindes (i betydningen; fiberfremstilles) af mennesker, til tekstile fibre, er på ingen måde nyt. Faktisk startede det for et par århundreder siden, da man eksperimenterede med vådspinding af de såkaldte Azlons; regenererede/fremstillede tekstilfibre af protein. -Den tekstilfiber, der formentlig er bedst kendt, er mælkeprotein-fiberen, men også sojaproteinfiber og majsproteinfiber er ret let at skaffe sig, fx i velassorterede garn-forretninger. I sin tid skrev jeg en lille artikel om mælkeprotein-fibrene.

Istedet for at benytte proteiner fra fx køer, sojaplanter eller majskolber, er der efterhånden stadig flere beretninger om laboratorie-fremstilling af protein til tekstilfibre. Protein-fibre kender vi jo i forvejen som særdeles komfortable materialer til beklædning; både uld og silke er protein-fibre. Uld og silke er naturlige tekstilfibre. Ved at fremstille protein til fiberfremstilling i bioreaktorer, behøver vi ikke “dyrke” får eller silkeorme, for at høste deres fibre. Derved muliggøres mere miljøvenlig og dyre-etisk fremskaffelse af udgangsmaterialet for tekstiler. Man kan snildt forestille sig at også de ovenfor nævnte azlon-proteiner, kasein, soja-protein og majs-protein, kan fremstilles rekombinant vha mikroorganismer, i stedet for at skulle “dyrke” henholdsvis køer, sojaplanter eller majs.

SPIBER_LOGO

Det japanske firma Spiber fremstiller edderkoppesilkeprotein vha bakterier; såkaldt rekombinant udtryk af protein (på samme måde som fx insulin til mennesker kan fremstilles vha bakterier). Dette materiale af edderkoppeprotein benyttes til at fremstille tekstilfibre, og sammen med firmaet North Face er der blevet  fremstillet en parka.

north-face-moon-parka-4

North Face – Spiber Moon Parka Jacket – Synthetic Spider Silk Fabric …

nav.logo

Foretagenet Bolt Threads fremstiller også protein vha bakterier, for eksempel silkeprotein, med henblik på at kunne producere silkeprotein i stor skala, og med mulighed for at modificere proteinet.

Screen Shot 2016-05-06 at 23.57.30

Når proteiner fremstilles på denne måde, i bioreaktorer vha bakterier eller gær, er der uanede muligheder for at ændre på proteinet, så det får nye egenskaber. Et mere ekstremt eksempel er modificering af silke-proteinet så det blev selvlysende, ved at koble sekvensen for GFP til sekvensen for fibroin, inden dette kombi-protein blev udtrykt af mikroorganismer (omtalt i dette indlæg).

Fluorescent-Cocoons-Crop

Også firmaet Kraiglabs fremstiller protein, der har ændrede egenskaber, i forhold til naturlig silke; det såkaldte Monster Silk™

logo

KraigLabs fiber er fremstillet af protein der er en “blanding” af edderkoppens og silkeormens silke. De har blandet opskriften (sekvensen) fra de 2 proteiner, og får fibrene fremstillet ved hjælp af transgene silkeorm.

monster-spider-silk-moths

Ved at blande sekvenserne fra de 2 naturlige silkespindere, edderkop og silkeorm, opnår firmaet en markant stærkere og mere fleksibel fiber en kommercielt tilgændeligt silke.

Spændende at se hvad fremtiden bringer!

 

 

Farvede og fluorescerende tekstil-fibre

 

Black_Hills_IMG_0584__83456.1438205933.380.380Tekstil fibre kan jo være farvede fra naturens side; Naturligt farvede uldfibre, hvor ulden fra flokkens sorte får, eller “Colourgrown cotton”, hvor
det udnyttes at der findes forskellige arter af bomuldsplanten, med forskellig pigmentering af fibrene.

 

Pakucho Green Cotton site pic

For nylig stødte jeg så på rapporter om muligheden for at fremstille farvet eller fluorescerende silke…! Særdeles syret!

Farvningen af silkefibrene kan fremkomme ved at silkeormene fodres med fluorescerende foder, fx den kemiske forbindelse Rhomdamin. Alternativt er det demonstreret at silkeorm kan genmanipuleres til at udtrykke fibroin-protein, er udsender selvlysende lys, når det belyses med UV-lys. Fibroin-proteinet er blevet “tagget” med det såkaldte GFP.

 

GM silkworms bred to spin fluorescent

Colored Fluorescent Silk Made by Transgenic Silkworms

Fluorescent Silk: Awesome Science and Fashion!

Transgenic silkworms that weave recombinant proteins into silk cocoons.

Om det er bæredygtigt… tjaeh… Om man, som designer, biolog, bio-curious eller bio(tekno)log,  har spørgsmål til selve teknikken eller ønsker uddybning eller yderlieger materiale eller information, så tag kontakt!

Keratin

Keratin er et protein, der findes i fx hår, uld, negle, klove og hove ved patterdyr, i negle, skæl og kløer ved reptiler og i fjer og kløer ved fugle. Gennem mere end et århundrede er der rundt omkring i verden pågået arbejde med at kunne udnytte dette materiale, og i disse år intensiveres dette forskningsområde igen, i lyset af den fremtidige globale ressource-mangel. Min interesse, i relation til denne blog, går på om keratin kan genanvendes som protein-baseret regenererede (tekstil)fibre, og om faciliteter til disse processer kan etableres bæredygtigt i Danmark.

Som nation har vi jo ganske omfattende fjerkræ-produktion, hvor keratin fra fjer dog allerede udnyttes til minkfoder og fjermel (personlig kommunikation), ligesom andre kilder til keratin kan undersøges.

Her følger en liste over videnskabelige værker, med danske referater, der omhandler udnyttelse af keratin, og metoder til fysisk og kemisk bearbejdning af keratin.

Controlled De-Cross-Linking and Disentanglement of Feather Keratin for Fiber Preparation via a Novel Process

En helt ny publikation (2014) fra universiteter i henholdsvis usa og kina. Referatet af artiklen (oversat til dansk):
Rene proteinfibre blev fremstillet fra kyllingefjer via en potentielt grøn proces. I de sidste årtier er der blevet gjort en indsats for at producere keratin-baserede industrielle produkter, især fibre. Imidlertid kunne fremgangsmåder til fremstilling af keratinfibre direkte fra kyllingefjer ikke gentages. I denne forskning blev protein fibre fra kylling fjer udvundet ved hjælp af kemikalier, der enten stammer fra vedvarende ressourcer eller potentielt kan genanvendes. Rygbenet på keratinmolekylet blev bevaret efter spaltning af disulfidbindinger ved hjælp cystein. Natriumdodecylsulfat ( SDS) blev anvendt til at opløse keratin forud for spinding. Stigende SDS koncentration bevirkede øget struktur af keratin, hvilket resulterede i først øget, derefter faldende viskositet af opløsningen, hvilket tyder på kontinuerlig molekyleudretningen af keratin molekyler og øgning i inter-og intramolekylære elektriske frastødning . Diametre på de opnåede fibre, så små som 20 um, udviste god “drawability” af keratin løsning. Ændring i krystallinitets indeks blev fundet at være i overensstemmelse med “tensile” egenskaber af keratin fibrene. Sammenfattende blev regenererede fibre succesfuldt fremstilles som lineær keratin, med bevarede molekylær rygrad, der kunne være udredes og orienteres på en kontrolleret måde.
sc-2013-00461d_0010

En publikation fra 2010, fra et amerikansk universitet, et institut for regenerativ medicin, hvor fokus er på anvendelse af keratiner til biokompatible materialer indenfor sundhedsvæsenet. Referatet af artiklen er:

Udviklingen indenfor ekstraktion, oprensning og karakterisering af keratinproteiner fra hår og uld i det forløbne århundrede har ført til etablering af ​​en keratin-baserede biomaterialer platform. Som mange naturligt afledte biomolekyler har keratiner også iboende biologisk egenskaber og biokompatibilitet. Desuden er ekstraherede keratiner i stand til at danne selvsamlede strukturer, der regulerer cellulær genkendelse og adfærd. Disse egenskaber har ført til udviklingen af ​​keratin biomaterialer med applikationer i sårheling, drug delivery, tissue engineering, traumer og medicinsk udstyr. Denne artikel diskuterer historien for keratin forskning og udviklingen af keratin biomaterialer til biomedicinske anvendelser.’

Optimizing Extraction of Keratin from Chicken Feather by Using Sodium Sulfide

En helt ny metodisk artikel, fra Malaysisk universitet, der beskriver en optimeret metode til ekstraktion af keratin fra fjer.
Oversat til dansk fra artiklens referat:
Kyllingefjer er et affalds biprodukt fra fjerkræindustrien i Malaysia . 90% af fjer strukturen udgøres af keratin, som er et vigtigt produkt til kosmetiske og farmaceutiske industri. Formålet med denne undersøgelse er at optimere udvindingen af ​​keratin fra kylling fjer ved hjælp af sodiumsulphide gennem statistisk eksperimenterende design. Undersøgte parametrene i udvindinger, er pH, temperatur, koncentration af kemisk reduktionsmiddel, masse-forholdet mellem ​kyllingefjer og Natriumsulfid samt inkubationstid. Total mængde protein ekstraheret blev bestemt spektrofotometrisk ved 280nm.
Gennem optimering af udvindingen , kunne procentdel af udvundet protein øges fra 84,5 % til 96%. Betingelserne for den optimerede udvindingsprocessen er 80.9oC , inkubationstid 9,5 timer , natriumsulfid koncentration 0.92M og forholdet mellem massen af ​​kyllingefjer til massen ofsodium sulfid er 0,05

Keratin-based antimicrobial textiles, films, and nanofibers
En helt ny (2014) metode-publikation fra amerikanske forskningslaboratorier, hvor muligheden for at gøre keratin-materialer antibakterialt beskrives. Oversat til dansk fra artiklens referat:

Kombinationen af ​​tiltalende strukturelle egenskaber , biokompatibilitet , og tilgængeligheden af vedvarende og billige råvarer , gør keratin -baserede materialer attraktivt for en lang række anvendelser. I denne artikel, beskrives antimikrobiel funktionalisering af keratin -baserede materialer , herunder uld tekstil og regenereret cellulose / keratin komposit film og nanofibre . Funktionalisering af disse materialer blev opnået ved brug en let klorerende reaktion, der omdanner nitrogen -bærende dele af keratin til halamine forbindelser. Halamine-reageret uld tekstil udviste hurtig og potent antibakteriel aktivitet over for flere arter af bakterier og inducerede op til 5,3 log ( dvs. 99,9995 % ) reduktion af kolonidannende enheder af Bacillus thuringiensis sporer inden for 10 min . Keratin-indeholdende kompositter blev fremstillet ved spin-coating og koaksial electrospinning af ekstraheret / oxideret alfa-keratin og celluloseacetat (CA) opløst i myresyre , efterfulgt af CA deacetylering . Regenereret cellulose / keratin materialer, klorereder til at koble halamines var også effektivt dræber Escherichia coli og Staphylococcus aureus bakterier . Electrospundne kerne /  skal nanofibre med maksimeret keratin-Cl areal viste højere aktivitet mod S. aureus end film sammensat af de samme materialer . De halamine -baserede antimikrobielle funktionaliseringsmetoder der er demonstreret i forhold til keratin-baserede materialer i denne artikel, forventes at kunne oversættes til andre proteinbaserede biopolymerer af interesse for biomateriale samfundet.

Wool and Keratin from Wool for Bio-Based Value-Added Products

Præsentation af nogle forskningsprojekter, der forløber i perioden 2010-2015 ved det amerikanske United states department of agriculture, Agricultural Research service. Oversat projektformål:

Udvikle kommercielt levedygtige processer baseret på kemisk eller enzymatisk tværbinding der øger markedsværdien af ​​uld. 1A: Udvikle systemer til funktionel ændring af uld. 1B: Udvikle keratin modifikation-systemer. Udvikle udvinding og derivatiseringsmetoder processer til produktion af kommercielt levedygtige produkter fra keratin. 2A: Uddrag og karakterisere keratin fra uld. 2B: Form strukturelle keratin materialer til produktudvikling.

En ph.d. afhandling fra 2008, der adresserer anvendelse af fjer til luftfiltreringsfiltre. Det beskrives hvorledes fjer kan bearbejdes fysisk og kemisk, bl.a. solubilisering af fjerkeratin og efterfølgende regenerering vha såkaldt dryjet wetspinning metode. Kun de første 40 sider er frit tilgængelig på nettet, men hele afhandlingen kan bestilles.

Jeg arbejder på at få afprøvet den kemiske metode til opløsning af keratin i et kemisk laboratorie, samt at få spundet protein-baserede keratin tekstil fibre og at få evalueret bæredygtigheden af af udvinde keratin i Danmark, og er meget etablere gerne samarbejde med interesserede.

 

Protein

peptid

Mælkegarn er lavet af protein, samme bestanddel som f.eks. uld og silke. Forskellen er at mælkegarnet er “man-made” altså lavet af mennesker (f.eks. vha wetspinning metoden), mens uld og silke lavet naturligt af henholdsvis får og silkelarver eller edderkopper. I modsætning hertil findes også f.eks. Viscose, der også er et regenereret materiale, men hvor grundmaterialet er cellulose, der er kulhydrater fra planter.

Protein er opbygget af lange kæder af amino-syrer, der sidder efter hinanden, som perler på en snor. Denne “perle-række” folder så sammen på en helt bestemt måde, og på den måde får proteinet sin 3-dimensionelle form. Rækkefølgen af aminosyrene i “perlekæden” bestemmes af det gen i DNA’et, der koder for proteinet (yderliggere beskrevet her). På billedet ser man 4 aminosyrer, der er bundet sammen med peptidbindinger (markeret med gult).