I nuovi tessuti proteici riciclabili potrebbero ridurre l’inquinamento da microplastiche e diminuire i rifiuti tessili inquinanti

L’industria tessile produce una parte considerevole dei rifiuti mondiali, con solo circa il 12% delle fibre destinate al riciclo. I tessuti sono anche responsabili di gran parte delle microplastiche presenti negli oceani. Ad ogni lavaggio, le fibre sintetiche rilasciano microplastiche che vengono scaricate nello scarico e finiscono per contaminare gli ambienti acquatici. Aumentare il riciclo dei tessuti da solo non risolverà il problema, perché la maggior parte delle fibre derivate dal petrolio è difficile da riciclare e continua a rilasciare microplastiche persistenti per tutto il suo ciclo di vita.

Gli ingegneri della Washington University di St. Louis potrebbero aver trovato una soluzione, grazie al lavoro di biologia sintetica svolto nel laboratorio di Fuzhong Zhang, professore titolare della cattedra Francis F. Ahmann presso il Dipartimento di Ingegneria Energetica, Ambientale e Chimica della McKelvey School of Engineering e co-direttore del Synthetic Biology Manufacturing of Advanced Materials Research Center (SMARC).

I risultati di questo lavoro, ora pubblicati sulla rivista Advanced Materials , hanno portato alla creazione di materiali a base proteica, prodotti in bioreattori (simili a giganteschi fermentatori) utilizzando microbi geneticamente modificati. Questi materiali possono essere facilmente riciclati dopo l’uso e riprodotti nelle stesse fibre per più cicli. Inoltre, le eventuali microparticelle rilasciate da queste fibre durante il lavaggio sarebbero biodegradabili.

“Abbiamo progettato fibre proteiche riciclabili che si dissolvono in una soluzione di acido formico in pochi secondi, ma rimangono stabili in acqua e resistenti dopo l’asciugatura”, ha affermato Zhang.

La soluzione di acido formico è un solvente volatile ed economico, comunemente utilizzato nell’industria per la conservazione dei mangimi animali, la lavorazione del cuoio, la tintura tradizionale dei tessuti, la pulizia e molti altri processi. In questo caso, il solvente rompe le interazioni proteiche che tengono unite le fibre senza alterare le proteine ​​stesse. Successivamente, l’evaporazione del solvente lascia dietro di sé le proteine ​​grezze che possono essere riutilizzate per ricostruire fibre con la resistenza e le proprietà originali.

L’industria del riciclo si è a lungo impegnata per rendere il riutilizzo della plastica più pratico ed economicamente vantaggioso. La plastica può essere fusa e rimodellata, ma la plastica riciclata è spesso più debole, soprattutto se contiene additivi o contaminanti. Altri metodi di riciclo rompono i legami chimici all’interno dei polimeri per poi ricostruirli tramite risintesi, ma ciò può aumentare notevolmente i costi e le emissioni. In generale, più un materiale è resistente, più è difficile riciclarlo, perché spesso è necessario rompere gli stessi legami che gli conferiscono resistenza durante il processo di riciclo.

Per risolvere questo problema, il team si è ispirato alla natura. Hanno prelevato sequenze genetiche da proteine ​​del piede di mitilo , seta di ragno e amiloidi (aggregazioni proteiche) e le hanno “intrecciate” insieme utilizzando sofisticate tecniche di ingegneria proteica, in modo che la resistenza e la riciclabilità del materiale risultante potessero essere controllate in modo indipendente.

Il loro materiale a base proteica si chiama SAM, un ibrido di seta, amiloide e proteine ​​di mitilo. Le sequenze proteiche appiccicose dei mitili contribuiscono a controllare la capacità del materiale di dissolversi in soluzione di acido formico. La seta di ragno e le sequenze proteiche amiloidi assicurano che i materiali formino forti interazioni che “riconnettono” le catene polimeriche dopo il riciclo.

“Ottimizziamo le sequenze del piede del mitilo per rendere le fibre SAM riciclabili, impedendo al contempo che si restringano quando si bagnano”, ha affermato Zhang.

Il team ha dimostrato questo processo dissolvendo e ricreando più volte le fibre SAM, ottenendo fibre con una resistenza elevata e costante. Le proteine ​​grezze riciclate possono anche essere riutilizzate per realizzare idrogel adesivi per diverse applicazioni, che possono essere ulteriormente riciclati per produrre nuovamente fibre o idrogel.

L’adozione di un sistema di riciclo a ciclo chiuso contribuisce anche a ridurre il costo di questi materiali. La biofabbricazione non è economica, quindi i ricercatori si sono spesso limitati a concentrarsi su applicazioni di lusso. Ma con un sistema circolare di risorse, i costi della biofabbricazione iniziano a diminuire drasticamente.

“Il riciclo del prodotto finale per più cicli può ridurre notevolmente i costi di produzione nel tempo”.

ABSTRACT

Il riciclo per dissoluzione rappresenta una strategia promettente e potenzialmente economicamente vantaggiosa per la rigenerazione dei materiali e la riduzione dei gas serra. Tuttavia, pochissimi polimeri sono praticamente riciclabili per dissoluzione perché le forti interazioni intermolecolari, essenziali per le prestazioni meccaniche, sono in genere incompatibili con la disgregazione del solvente durante la dissoluzione. Qui presentiamo un approccio razionale di ingegneria dei materiali che bilancia questi requisiti contrastanti per creare materiali a base proteica (PBM) ad alte prestazioni e riciclabili per dissoluzione. Utilizzando l’ingegneria proteica e la biologia sintetica, abbiamo progettato ibridi proteici di seta-amiloide-cozza (SAM) i cui domini amorfi controllano l’ingresso del solvente, mentre i domini cristallini mantengono le interazioni intermolecolari portanti. Le fibre SAM ingegnerizzate, SAM _HY , hanno mostrato un’eccezionale resistenza alla trazione (401 ± 40 MPa), tenacità (124 ± 38 MJ/m ⁻³ ), e una supercontrazione minima (2,2% ± 1,9%) in condizioni di elevata umidità (>90%), insieme alla completa riciclabilità attraverso un processo di dissoluzione rapido (<1 h) ed efficiente dal punto di vista energetico utilizzando acido formico acquoso. Le fibre riciclate hanno mantenuto sia l’integrità strutturale che le prestazioni meccaniche per molteplici cicli di riciclo. Inoltre, la proteina SAM _HY riciclata è stata riprocessata in idrogel con forte adesione sott’acqua e robustezza meccanica anche dopo ulteriori ricicli. Questi risultati stabiliscono principi di progettazione fondamentali per PBM riciclabili e dimostrano la fattibilità di produrre materiali proteici versatili, ad alte prestazioni, sostenibili e riciclabili per un’ampia gamma di applicazioni.

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