Исследователи также создали кроссовки с внутренним слоем из таких же лоскутов с клетчатой ??подкладкой для вентиляции и отвода влаги. Детали обоих дизайнов опубликованы в Science Advances.
Зачем использовать живые клетки в чувствительных тканях? Исследователи говорят, что чувствительные к влаге клетки не нуждаются в дополнительных элементах, чтобы ощущать влажность и реагировать на нее.
Доказано, что микробные клетки, которые они использовали, безопасны при прикосновении и даже потреблении. Более того, с помощью новых инструментов генной инженерии, доступных сегодня, можно быстро и в огромных количествах подготовить клетки для выражения множества функций в дополнение к реакции на влагу.Чтобы продемонстрировать этот последний пункт, исследователи создали чувствительные к влаге клетки, которые не только открывают створки, но и загораются в ответ на влажные условия.«Мы можем комбинировать наши клетки с генетическими инструментами, чтобы ввести в эти живые клетки другие функции», — говорит Вен Ван, ведущий автор статьи и бывший научный сотрудник Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и Департамента химической инженерии. «Мы используем флуоресценцию в качестве примера, и это может дать людям понять, что вы бежите в темноте.
В будущем мы сможем объединить функции выделения запахов с помощью генной инженерии. Так что, возможно, после посещения тренажерного зала рубашка может выделять приятный… пахнущий запах ".Соавторами Вана являются 14 исследователей из Массачусетского технологического института, специализирующихся в таких областях, как машиностроение, химическая инженерия, архитектура, биологическая инженерия и дизайн одежды, а также исследователи из New Balance Athletics. Ван вместе с бывшим аспирантом Линином Яо руководил проектом под названием bioLogic в составе группы Tangible Media Массачусетского технологического института, возглавляемой Хироши Исии, профессором медиаискусств и наук Джерома Б. Визнера.
Ячейки, меняющие формуВ природе биологи наблюдали, что живые существа и их компоненты, от чешуи сосновой шишки до микробных клеток и даже определенных белков, могут изменять свою структуру или объем при изменении влажности.
Команда Массачусетского технологического института выдвинула гипотезу, что естественные изменяющие форму клетки, такие как дрожжи, бактерии и другие микробные клетки, можно использовать в качестве строительных блоков для создания чувствительных к влаге тканей.«Эти клетки настолько сильны, что могут вызывать изгиб субстрата, на который они нанесены», — говорит Ван.Сначала исследователи работали с наиболее распространенным непатогенным штаммом кишечной палочки, который, как было обнаружено, набухает и сжимается в ответ на изменение влажности.
Они также сконструировали клетки, чтобы экспрессировать зеленый флуоресцентный белок, позволяющий клетке светиться, когда она ощущает влажность.Затем они использовали метод клеточной печати, который они ранее разработали, для печати E. coli на листах грубого натурального латекса.
Команда напечатала параллельные линии клеток E. coli на листах латекса, создав двухслойную структуру, и подвергла ткань изменяющимся условиям влажности. Когда ткань была помещена на горячую плиту для сушки, клетки начали сжиматься, в результате чего покрывающий слой латекса скручивался. Когда ткань подвергалась воздействию пара, клетки начали светиться и расширяться, в результате чего латекс сплющивался. По словам Ванга, после 100 таких циклов «сухой / влажный» ткань не испытала «драматической деградации» ни в слое ячеек, ни в общих характеристиках.
Без потаИсследователи превратили биоткань в пригодную для носки одежду, разработав спортивный костюм с латексными клапанами с клетчатой ??подкладкой, нанесенными на спину костюма. Они подбирали размер каждой створки, а также степень, в которой они открываются, на основе ранее опубликованных карт, показывающих, где тело выделяет тепло и пот.
«Люди могут думать, что жар и пот — это одно и то же, но на самом деле некоторые области, такие как нижняя часть позвоночника, выделяют много пота, но не тепла», — говорит Яо. «Мы изменили дизайн одежды, используя карты слияния тепла и пота, чтобы, например, сделать лоскуты больше там, где тело выделяет больше тепла».Опорные рамки под каждым клапаном не позволяют внутреннему клеточному слою ткани напрямую касаться кожи, в то же время клетки способны ощущать и реагировать на изменения влажности в воздухе, лежащем непосредственно над кожей.
Во время испытаний бегового костюма участники исследования надевали одежду и занимались на беговых дорожках и велосипедах, в то время как исследователи контролировали их температуру и влажность с помощью небольших датчиков, расположенных на их спине.После пяти минут тренировки створки костюма начали открываться, как раз в то время, когда участники сообщили, что почувствовали тепло и пот. Согласно показаниям датчиков, откидные створки эффективно удаляли пот с тела и снижали температуру кожи, в большей степени, чем когда участники носили аналогичный беговой костюм с нефункциональными откидными створками.
Когда Ванга примерила костюм, она обнаружила, что откидные створки создают приятное ощущение. После того, как Ван сильно крутил педали в течение нескольких минут, Ван вспоминает, что «мне казалось, что на спине у меня кондиционер».Вентилируемые кроссовки
Команда также интегрировала влагоотталкивающую ткань в грубый прототип беговой обуви. Там, где нижняя часть ступни соприкасается с подошвой обуви, исследователи сшили несколько лоскутов, изогнутых вниз, при этом слой с подкладкой из клеток был обращен к ступне бегуна, но не касался ее. Они снова разработали размер и положение створок на основе тепловых и потовых карт стопы.
«Вначале мы думали сделать откидные створки поверх обуви, но мы обнаружили, что люди обычно не потеют на ногах», — говорит Ван. «Но они сильно потеют на ступнях, что может привести к таким заболеваниям, как бородавки. Мы подумали, можно ли сохранить ноги сухими и избежать этих болезней?»Как и в случае с тренировочным костюмом, створки кроссовок открывались и загорались, когда исследователи увеличивали влажность окружающей среды; в сухих условиях створки блеклые и закрываются.
В дальнейшем команда надеется на сотрудничество с производителями спортивной одежды для коммерциализации их дизайнов, а также изучает другие возможности использования, в том числе чувствительные к влаге шторы, абажуры и простыни.«Мы также заинтересованы в переосмыслении упаковки», — говорит Ван. «Концепция второй кожи предполагает новый жанр гибкой упаковки».
«Эта работа является примером использования возможностей биологии для разработки новых материалов и устройств и достижения новых функций», — говорит Сюань Хэ Чжао, доцент кафедры развития карьеры Роберта Н. Нойса и соавтор статьи бумага. «Мы считаем, что эта новая область« живых »материалов и устройств найдет важные приложения на стыке инженерных и биологических систем».