Любой, кто когда-либо выпрямлял волосы, знает, что вода — враг.Волосы, кропотливо выпрямленные с помощью тепла, снова превратятся в локоны, как только коснутся воды.Почему?Потому что волосы имеют память формы.Его материальные свойства позволяют ему изменять форму в ответ на определенные раздражители и возвращаться к своей первоначальной форме в ответ на другие.
Что, если бы другие материалы, особенно текстиль, обладали такой памятью формы?Представьте себе футболку с охлаждающими отверстиями, которые открываются при воздействии влаги и закрываются при высыхании, или универсальную одежду, которая растягивается или сжимается в соответствии с размерами человека.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали биосовместимый материал, который можно распечатать на 3D-принтере в любой форме и предварительно запрограммировать с обратимой памятью формы.Материал изготовлен с использованием кератина, волокнистого белка, содержащегося в волосах, ногтях и панцирях.Исследователи извлекли кератин из остатков шерсти Agora, используемой в текстильном производстве.
Исследование может помочь в более широких усилиях по сокращению отходов в индустрии моды, одном из крупнейших загрязнителей на планете.Такие дизайнеры, как Стелла Маккарти, уже переосмысливают то, как промышленность использует материалы, в том числе шерсть.
«С помощью этого проекта мы показали, что мы можем не только перерабатывать шерсть, но и создавать вещи из переработанной шерсти, которые никогда раньше не представлялись», — сказал Кит Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в SEAS и старший автор статьи.«Последствия для устойчивости природных ресурсов очевидны.С переработанным кератиновым белком мы можем сделать столько же или даже больше, чем то, что было сделано с помощью стрижки животных на сегодняшний день, и тем самым уменьшить воздействие текстильной и модной индустрии на окружающую среду».
Исследование опубликовано в Nature Materials.
Ключом к способности кератина изменять форму является его иерархическая структура, говорит Лука Сера, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи.
Единственная цепь кератина организована в виде пружины, известной как альфа-спираль.Две из этих цепей скручиваются вместе, образуя структуру, известную как спиральная катушка.Многие из этих спиральных спиралей собираются в протофиламенты и, в конечном итоге, в крупные волокна.
«Организация альфа-спирали и соединительные химические связи придают материалу прочность и память формы», — сказал Сера.
Когда волокно растягивается или подвергается определенному раздражителю, пружинообразные структуры раскручиваются, и связи перестраиваются, образуя стабильные бета-слои.Волокно остается в этом положении до тех пор, пока оно не будет свернуто в исходную форму.
Чтобы продемонстрировать этот процесс, исследователи напечатали кератиновые пластины различной формы на 3D-принтере.Они запрограммировали постоянную форму материала — форму, в которую он всегда будет возвращаться при срабатывании — с помощью раствора перекиси водорода и монофосфата натрия.
Как только память была установлена, лист можно было перепрограммировать и формовать в новые формы.
Например, один кератиновый лист был сложен в сложную звезду оригами, что придало ей постоянную форму.Как только память была установлена, исследователи погрузили звезду в воду, где она развернулась и стала податливой.Оттуда они свернули лист в плотную трубку.После высыхания лист был зафиксирован как полностью стабильная и функциональная трубка.Чтобы обратить процесс вспять, они поместили трубку обратно в воду, где она развернулась и снова сложилась в звезду-оригами.
«Этот двухэтапный процесс 3D-печати материала и последующего задания его постоянной формы позволяет изготавливать действительно сложные формы со структурными особенностями вплоть до микронного уровня», — сказал Сера.«Это делает материал пригодным для широкого спектра применений, от текстиля до тканевой инженерии».
«Независимо от того, используете ли вы подобные волокна для изготовления бюстгальтеров, размер и форма чашечек которых можно изменять каждый день, или пытаетесь изготовить активный текстиль для медицинской терапии, возможности работы Луки широки и интересны», — сказал Паркер.«Мы продолжаем переосмысливать текстиль, используя биологические молекулы в качестве инженерных субстратов, как никогда раньше».
Время публикации: 21 сентября 2020 г.