İpekten 3D Yazdırılabilir ve Geri Dönüştürülebilir Deri Üretildi!

Deri, hayatımızın vazgeçilmez çoğu eşyasının yapısında karşımıza çıkar. Deri koltuklar, ayakkabılar, cüzdanlar… Hayatımızda bu kadar çok yeri olabilen bir malzemeyi yine de elde etmek için başvurulan yollar pek çevre dostu bir davranış örneği değildir. Yapılan yeni bir çalışma ile Tufts Üniversitesi’ndeki mühendisler, ipekten, 3D olarak basılabilen ve gerektiğinde farklı ürünlere kolayca geri dönüştürülebilen yeni bir deri benzeri malzeme üretmeyi başardılar!

Deri, çok yönlü kullanışlılığı ve dayanıklılığı sayesinde uzun yıllardır yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Ancak modern seri üretim, oldukça büyük bir çevresel ayak izine sahip. Deri için oluşturulan sığır çiftliklerinin devasa arazileri oldukça yer kaplar, bol miktarda su boşaltılır. Hayvanların kendileri de atmosfere büyük miktarda metan gazı salınımı yapar. Bunların yanında bir de malzemenin işlenmesinde kullanılan sert kimyasallar var!

Bakıldığında ipek ve deri oldukça uzak malzemeler gibi gözüküyor ancak Tufts mühendisleri, ipeğin esnekliğini ve çok yönlülüğünü korurken daha sert, daha sıkı ve daha dayanıklı hale getirmek için ipek işlenmesi adına yeni bir yol geliştirdi. İşlemin hafif kimyasallar gerektirmesi ve oda sıcaklığında yapılabilir olması ipeğin daha az çevresel ayak izine sahip olmasını sağlıyor.

Görsel.1: Üst yapısal katmanı oluşturan geometriler dijital olarak tasarlanır ve çeşitli desen tasarımlarına sahip farklı malzeme dağılımı ile elde edilen sayısız ayarlanabilir güç sağlar.

Bilim adamları ipekböceği kozalarından alınan normal ipek lifleri ile işe başladılar. Bu lifler orijinal protein bileşenlerine parçalandıkları bir bulamaç haline getirilerek karıştırıldı. Daha sonra ipek fibroin, bir plastikleştirici ve bir bitkisel sakız koyulaştırıcı ile birleştirildi. Elde edilen malzeme, örümceklerin veya solucanların bezlerinden çıkarmasına benzer şekilde 3D olarak basılabilir özellik kazanmıştı!

Ekip, malzemeyi daha da güçlendirmek için önce plastikleştirici ve boyayla karıştırılmış bir kitosan (kabuklu deniz hayvanlarına sert dış iskeletlerini veren malzemedir.) temel tabakası koydu. Elde edilen bu malzemenin normal deriye benzer özelliklere sahip olduğunu gördüler. Normalde deriden yapılmış giysiler ve aksesuarlar oluşturmak için katlanabilir, delinebilir veya gerilebilirdi. 3D baskı üretim yöntemi ile işlevini, görünümünü veya hissini değiştirmek için desenler ve dokular oluşturulması sağlandı.

Görsel.2: Bir yapının taban katmanı, gliserol gibi bir plastikleştirici ile birleştirilmiş, asetik asit % 4 sulu çözelti içinde % 4 ağırlık / hacimde Kitosan ve bir termokromik boya gibi aktif bir molekülden oluşur. Üstteki yapısal katman, sebze sakızları gibi plastikleştirici ve koyulaştırıcı ile birleştirilmiş %7 ağırlık/ hacimde ipek fibroin sulu çözeltisinden oluşur.

Ekip üyelerinden Fiorenzo Omenetto, “Çalışmamız, günümüzde yaygın ve yaygın olarak kullanılan ürünler için alternatifler sağlamak amacıyla malzeme performansını korurken toksik kimyasalların kullanımını en aza indiren doğal olarak türetilmiş malzemelerin kullanımına odaklanmıştır. İpeğin yanı sıra tekstil ve tarımsal atıklardan elde edilen selüloz ve kabuklu deniz ürünleri atığından kitosan ve bunları birleştirmek için kullanılan tüm nispeten yumuşak kimyasalları kullanarak, bu hedefe doğru ilerliyoruz.” Diyor.

Görsel.3 Yapıların ortaya çıkan çoklu özelliklerini gösterir. a) Yapılara farklı mukavemet kazandıran, 0.25 mm ile 5 mm arasında değişen yapısal fibroin bazlı katmanın özellik boyutları. b) Kaba düzenli ızgara yapılarına dayanan boru tabakalarından kıvrımlı kalın üçgen ızgaralara, bölgesel olarak esnek düzensiz ızgaralara, çok ince yapılandırmalı dökümlü daire paketleme ızgaralarına kadar ipek proteinine dayalı farklı deri benzeri biyomateryal yapıların elde edilen esneklik dizileri ve düzenli olmayan kafes tasarımlarına dayalı maksimum esneklik yapıları. c) Opaklık, karışımlar içindeki katman kalınlıkları ve pigmentler ayarlanarak aynı yapılar içinde kontrol edilir. d) Duyarlılık, bu yapılara, örneğin 34 ° C siyahtan sarıya değişen boya veya 28 ° C griden turuncuya boya gibi insan vücut sıcaklığı aralıklarına yanıt veren termokromik kalıplar eklenerek programlanır. e) Birleştirilmiş yapılar, burada sunulan baskılı deri benzeri biyomateryal formülasyonların, tipik olarak deri ürünler oluşturmak için kullanılan katlama, bükme, delme, gerdirme ve dikmeye karşı dayanıklı olduğunu gösterir.

Bu çalışmanın en güzel yanı ise ipekten üretilen bu deri benzeri malzemenin daha da sürdürülebilir hale getirmek için kolayca geri dönüştürülebilecek olması! Bir ürün kullanım ömrünün sonuna ulaştığında, malzeme tekrar ipeksi bulamaç haline getirilerek yepyeni bir ipek-deri ürünü haline getirilebiliyor.

Bu Araştırma Materials & Design dergisinde yayınlandı .

Üretim sürecini aşağıdaki video linkinden izleyebilirsiniz!