Textination Newsline

Forscher des Lincoln Laboratory und des MIT entwickeln neue Arten von bioresorbierbaren Stoffen, die die spezielle Art und Weise nachahmen, in der sich weiches Gewebe dehnt und gleichzeitig heranwachsende Zellen ernährt.
 
Steve Gillmer, Mitarbeiter des Lincoln Laboratory, testet die Elastizität eines bioresorbierbaren Gewebes, um seine Steifigkeit mit verschiedenen Arten von menschlichem Gewebe zu vergleichen. Copyright: Foto: Glen Cooper/Lincoln Laboratory

Die Behandlung schwerer oder chronischer Verletzungen von Weichteilen wie Haut und Muskeln ist eine Herausforderung für die Medizin. Die derzeitigen Behandlungsmethoden können kostspielig und wirkungslos sein, wobei davon auszugehen ist, dass die Häufigkeit chronischer Wunden aufgrund von Krankheiten wie Diabetes und Gefäßerkrankungen sowie einer immer älter werdenden Bevölkerung weiter zunehmen wird.

Eine vielversprechende Behandlungsmethode besteht darin, biokompatible Materialien, die mit lebenden Zellen (d. h. Mikrogewebe) besiedelt sind, in die Wunde zu implantieren. Die Materialien bieten ein Gerüst für Stammzellen oder andere Vorläuferzellen, die in das verletzte Gewebe einwachsen und die Regeneration unterstützen. Die derzeitigen Techniken zur Herstellung dieser Gerüstmaterialien unterliegen jedoch einem entscheidenden Nachteil. Menschliches Gewebe bewegt und biegt sich auf eine einzigartige Weise, die herkömmliche weiche Materialien nur schwer nachbilden können, und wenn sich die Gerüste dehnen, können sie auch die eingebetteten Zellen dehnen, was häufig zum Absterben dieser Zellen führt. Die abgestorbenen Zellen behindern den Heilungsprozess und können außerdem eine unbeabsichtigte Immunreaktion des Körpers auslösen.

„Der menschliche Körper hat eine hierarchische Struktur, die sich nicht dehnt, sondern auffaltet“, sagt Steve Gillmer, Forscher in der Mechanical Engineering Group des MIT Lincoln Laboratory. „Wenn Sie Ihre Haut oder Muskeln dehnen, sterben Ihre Zellen deshalb nicht ab. Was tatsächlich passiert, ist, dass sich das Gewebe ein wenig entknittert, bevor es sich dehnt.“

Gillmer ist Teil eines multidisziplinären Forschungsteams, das nach einer Lösung für dieses Dehnungsproblem sucht. Er arbeitet mit Professor Ming Guo von der Abteilung für Maschinenbau des MIT und dem Defense Fabric Discovery Center (DFDC) des Labors zusammen, um neue Arten von Stoffen zu stricken, die sich genau wie menschliches Gewebe entfalten und bewegen können.

Die Idee zur Zusammenarbeit entstand, als Gillmer und Guo einen Kurs am MIT hielten. Guo hatte untersucht, wie man Stammzellen auf neuartigen Materialien züchten kann, die die Entfaltung des natürlichen Gewebes nachahmen. Er entschied sich für elektrogesponnene Nanofasern, die zwar gut funktionierten, aber in großen Längen schwer herzustellen waren, was ihn daran hinderte, die Fasern in größere Maschenstrukturen zur Gewebereparatur in größerem Maßstab zu integrieren.

„Steve erwähnte, dass das Lincoln Laboratory Zugang zu industriellen Strickmaschinen hatte“, sagt Guo. Diese Maschinen ermöglichten es ihm, sich auf die Entwicklung größerer Gestricke zu konzentrieren, anstatt einzelne Garne zu entwerfen. „Wir begannen sofort, neue Ideen mit interner Unterstützung des Labors zu testen.“
Gillmer und Guo arbeiteten mit dem DFDC zusammen, um herauszufinden, welche Strickstrukturen sich ähnlich wie verschiedene Arten von Weichgewebe bewegen können. Sie begannen mit drei grundlegenden Strickdesigns: Interlock, Ripp und Jersey.
 
„Denken Sie bei einem Jersey an Ihr T-Shirt. Wenn Sie Ihr T-Shirt dehnen, übernehmen die Garnschlingen die Dehnung“, sagt Emily Holtzman, Textilspezialistin beim DFDC. „Je länger die Schlaufen sind, desto mehr Dehnung kann der Stoff vertragen. Denken Sie bei gerippten Stoffen an die Manschette Ihres Pullovers. Diese Stoffkonstruktion hat eine universelle Dehnbarkeit, die es dem Stoff ermöglicht, sich wie eine Ziehharmonika zu entfalten.“

Interlock ist dem gerippten Gestrick ähnlich, wird aber in einem dichteren Muster gestrickt und enthält doppelt so viel Garn pro Zoll Stoff. Durch mehr Garn gibt es mehr Oberfläche, in die die Zellen eingebettet werden können. „Gestrickte Stoffe können auch so gestaltet werden, dass sie eine bestimmte Porosität oder hydraulische Durchlässigkeit aufweisen, die durch die Schlingen des Stoffes und die Garngrößen erzeugt wird,“ sagt Erin Doran, eine weitere Textilspezialistin im Team. „Diese Poren können den Heilungsprozess ebenfalls unterstützen.“

Bisher hat das Team eine Reihe von Tests durchgeführt, bei denen embryonale Fibroblastenzellen der Maus und mesenchymale Stammzellen in die verschiedenen Strickmuster eingebettet wurden, um zu sehen, wie sie sich verhalten, wenn die Muster gedehnt werden. Jedes Muster wies Variationen auf, die sich darauf auswirkten, wie stark sich das Gewebe entfalten konnte und wie starr es wurde, nachdem es sich zu dehnen begann. Alle zeigten eine hohe Überlebensrate der Zellen, und 2024 erhielt das Team erneut einen F&E-100-Preis für seine Strickmuster.
 
Gillmer erklärt, dass das Projekt zwar mit Blick auf die Behandlung von Haut- und Muskelverletzungen begann, dass ihre Stoffe jedoch das Potenzial haben, viele verschiedene Arten von menschlichem Weichgewebe, wie Knorpel oder Fett, nachzuahmen. Das Team meldete kürzlich ein vorläufiges Patent an, in dem beschrieben wird, wie diese Muster erstellt werden können und welche Materialien für die Herstellung des Garns verwendet werden sollten. Diese Informationen können als Werkzeugkasten verwendet werden, um verschiedene gestrickte Strukturen auf die mechanischen Eigenschaften des verletzten Gewebes abzustimmen, auf das sie aufgebracht werden.

„Dieses Projekt war definitiv eine Lernerfahrung für mich“, sagt Gillmer. „Jeder Zweig dieses Teams verfügt über ein einzigartiges Fachwissen, und ich denke, das Projekt wäre ohne die Zusammenarbeit aller nicht machbar. Unsere Zusammenarbeit als Ganzes ermöglicht es uns, den Umfang der Arbeit zu erweitern, um diese größeren, komplexeren Probleme zu lösen.“

Die Hydrotherapie mit schnellem Temperaturkontrast, auch bekannt als Wechselbädertherapie, beinhaltet ein abwechselndes Eintauchen in heißes und kaltes Wasser, um die Erholung beim Sport zu unterstützen . Durch den schnellen Wechsel zwischen diesen Temperaturextremen soll die Therapie die natürlichen Heilungsprozesse des Körpers anregen, was sie zu einer beliebten Methode für Sportler und Menschen macht, die Muskelkater, Gelenkschmerzen und Stress lindern wollen.

Demzufolge ist die Wechselbadtherapie eine wirksame Strategie zur Verbesserung der allgemeinen sportlichen Leistung und zur schnelleren Erholung nach Wettkämpfen. Traditionell werden dabei zwei Becken verwendet, die mit kaltem bzw. warmem Wasser bei genau kontrollierten konstanten Temperaturen gefüllt sind . Die erforderlichen Einrichtungen und der erhebliche Wasserverbrauch schränken jedoch die Anwendung dieser Therapie im täglichen Sporttraining ein. Existierende tragbare Kühl- und Heizsysteme haben oft mit begrenzten Wärmeübertragungsraten zwischen dem Gerät und dem menschlichen Körper zu kämpfen und erfüllen nicht die Anforderungen für eine praktische Wechselbadtherapie.

Eine in Advanced Science veröffentlichte Studie verweist auf einen Durchbruch, der von einem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Xiaoming TAO, Lehrstuhlinhaberin für Textiltechnologie an der School of Fashion and Textiles und Vincent und Lily Woo Professorin für Textiltechnologie an der Hong Kong Polytechnic University, erreicht wurde. Das Team hat ein neuartiges, tragbares System entwickelt, das auf einem flüssigkeitsdurchlässigen Gewebe basiert und eine schnelle Modulation der Hauttemperatur ermöglicht [1]. Das innovative System ermöglicht es Sportlern, die Vorteile der Wechselbadtherapie zu erleben, ohne dass sie tatsächlich ins Wasser eintauchen müssen.

Das System besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, darunter tragbare Fluidic Fabrics, ein kleiner Wassertank (mit einem Volumen von drei Litern, ausgelegt für ein Bein), ein Steuergerät zur Temperaturregulierung, eine Wasserpumpe und ein Verbindungsschlauch. Die tragbaren Fluidic Fabrics sind aus mehreren Schichten aufgebaut, um die Leistung zu optimieren. Zu diesen Schichten gehören eine äußere wärmeisolierende Gewebeschicht zur Verringerung der Wärmeübertragung zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung, eine mittlere Schicht aus flexiblem Wärmeübertragungspaneel (FHTP) und eine ultradünne innere Gewebeschicht, die in Kontakt mit der Haut steht. Die zentrale FHTP-Schicht besteht aus zwei laminierten Gewebestücken, die in einem Schritt miteinander verschweißt werden. Um einen gleichmäßigen und schnellen Kühl-/Wärmeeffekt zu erzielen, ist das FHTP sowohl mit schlangenförmigen als auch mit netzartigen Kanalmustern versehen.

Das System ermöglicht einen schnellen Wechsel zwischen Kühlung und Erwärmung innerhalb von zehn Sekunden auf einer Fläche von 0,3 Quadratmetern. Über eine Smartphone-App können die Nutzer das Temperaturtherapieprogramm starten, bei dem entweder warmes oder kaltes Wasser aus dem Tank in die Kanäle im Gewebe gepumpt wird, bevor es wieder in den Tank zurückgeführt wird. Jeder Therapiezyklus umfasst zwei verschiedene Modi: den Kaltmodus und den Warmmodus. Im Kaltmodus wird die Temperatur des zirkulierenden Wassers für eine Minute auf etwa 5 °C eingestellt. In diesem Modus absorbiert das zirkulierende Wasser Wärme von der Haut und der Umgebung. Im heißen Modus wird die Wassertemperatur für zwei Minuten auf 40 °C erhöht. Während dieser Phase wird die Wärme an die Haut und die Umgebung abgegeben.

Das tragbare Fluidikgewebe weist außergewöhnliche Wärmeübertragungseigenschaften auf. Während der Kältetherapie beträgt der gemessene Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Haut und dem Gewebe 98,5 W m-² K-¹. Diese Leistung entspricht einem beeindruckenden Wirkungsgrad von 92 % im Vergleich zum direkten Eintauchen in Wasser und übertrifft damit deutlich die Leistung vergleichbarer flüssigkeitsgekühlter Kleidungsstücke, die üblicherweise Wärmeübertragungskoeffizienten von 13 bis 37 W m-² K-¹ aufweisen. Insgesamt zeigt das FHTP eine starke Wärmeübertragungsleistung. Insbesondere erreicht die Wärmeübertragungseffizienz des FHTP bei der Kältetherapie bis zu 89 % und bei der Wärmetherapie etwa 55 %.

Diese Studie stellt einen bedeutenden Durchbruch bei der Entwicklung eines tragbaren Fluidikgewebes dar, das die Hauttemperatur in einem weiten Bereich von 5 °C bis 40 °C schnell modulieren kann. Zusätzlich zu seiner Wirksamkeit bei der Wechselbadtherapie bietet dieses innovative Fluidikgewebe ein erweitertes Anwendungspotenzial für das Wärmemanagement der Haut zu medizinischen Zwecken sowie in Extremsituationen, wie sie bei Brandschutzmaßnahmen auftreten.

Die Forschungsarbeiten wurden durch das Sport Science and Research Funding Scheme der Regierung der SVR Hongkong und des Hong Kong Jockey Club Charities Trust [Nr. P0042455] sowie durch den Endowed Professorship Fund der Hong Kong Polytechnic University [Nr. 847A] unterstützt. Die Datenquelle und der Code können auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren angefordert werden.

Prof. Tao wurde von der Stanford University in sechs aufeinanderfolgenden Jahren von 2019 bis 2024 als eine der 2 % meistzitierten Wissenschaftler weltweit auf dem Gebiet der Werkstoffe anerkannt. In Anerkennung ihrer herausragenden Beiträge und ihres Fachwissens im Ingenieurwesen wurde sie 2025 zum Fellow der Hong Kong Academy of Engineering gewählt. Derzeit ist Prof. Tao Direktorin des Forschungsinstituts für intelligente, am Körper getragene Systeme an der Polytechnischen Universität Hongkong.

Forschende der Cornell University haben eine elegante und nachhaltige Methode zur Reinigung von Gewässern entwickelt: die Wiederverwendung eines Abfallprodukts zur Entfernung eines anderen.

Unter der Leitung von Larissa Shepherd, Ph.D., Assistenzprofessorin in der Abteilung für Human Centered Design im College of Human Ecology, hat das Team vorgeschlagen, ausrangiertes Seidengarn zur Entfernung von Farbstoffen und Öl aus dem Wasser zu verwenden. Untersuchungen an verschiedenen Formen von Seide - Gewebe, Garne und Fasern - ergaben, dass aus Seidengewebe aufgetrenntes Garn Methylenblau (MB), einen gängigen Textilfarbstoff, wesentlich schneller aus dem Wasser aufsaugt als andere getestete Formen von Seide.
 
Darüber hinaus kann das Seidengarn gereinigt und wiederverwendet werden. Shepherds Gruppe fand heraus, dass das Textil mindestens 10 Zyklen mit minimalem Funktionsverlust überstehen kann.
 
Shepherd ist Co-Autorin des Artikels „Waste Bombyx Mori Silk Textiles as Efficient and Reuseable Bio-Adsorbents for Methylene Blue Dye Removal and Oil-Water Separation,“, der im November 2024 in der Zeitschrift Fibers veröffentlicht wurde. Mitautoren sind Hansadi Jayamaha, Doktorand im Bereich der Faserwissenschaften, und Isabel Schorn, Studentin der Faserwissenschaften.

Jayamaha zufolge haben 12 Milligramm Seidenfilamentgarn eine 90 %ige MB-Farbstoffentfernungseffizienz innerhalb von 10 Minuten nach der Exposition, und zwar bei Konzentrationen von bis zu 100 Teilen pro Million, was wesentlich höher ist als die Effizienz anderer Formen - sogar von elektrogesponnenen Fasermatten oder Geweben, die mit den hohlen Seidenmikropartikelkugeln ausgerüstet sind, was eine Überraschung darstellte, so die Forschenden.

„Durch die Herstellung der Kugeln“, so Jayamaha, “schufen wir eine hydrophilere Oberfläche im Vergleich zum Seidengewebe, das eher hydrophob ist. Durch die Zerlegung des Gewebes in das Garnstadium schaffen wir eine größere Oberfläche, und das verbessert die Adsorption“.

Die Gruppe testete ebenfalls die Aufnahmefähigkeit von Seidentextilien für Öl und stellte fest, dass Noil-Gewebe (ein Textil, das Seidengarne enthält, die aus kurzen Fasern und nicht aus Filamenten bestehen) eine Ölaufnahmekapazität aufweist, die das Dreifache des ursprünglichen Gewichts des Gewebes für Maisöl und fast das Doppelte des Gewichts für Benzin beträgt.

Tests mit beiden Materialien haben gezeigt, dass das Material nach einem Funktionsverlust nach dem ersten Reinigungs- und Wiederverwendungszyklus seine Funktionalität über die folgenden neun Zyklen beibehält.

Die Gruppe fand heraus, dass diese Eigenschaft von Seide als Farbstoffadsorptionsmittel ohne chemische oder andere Veränderungen des Materials erreicht werden kann - es genügt, das Textilprodukt zu dekonstruieren.     

„Wenn man Seide recycelt, muss man sehr scharfe Chemikalien verwenden“, sagte Shepherd. „In unserem Fall verwenden wir nur die Stoffe selbst. Ja, wir müssen sie vielleicht aufdröseln, um den Nutzen zu erhalten, aber das ist viel besser, als diese aggressiven Chemikalien in die Umwelt zu bringen.“
Shepherd glaubt, dass „Kissen“, die Seidengarne aus ausrangierten Textilien und Reste aus dem Zuschneiden und Nähen in der Textilindustrie enthalten, ein wirksames Mittel zur Beseitigung von verschüttetem Material und Abfallstoffen sind, einschließlich MB-Farbstoff, der landwirtschaftliche Flächen und Wasserwege schädigt, wenn er versehentlich aus Textilfabriken freigesetzt wird.

„Wir haben erkannt, dass wir zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen können: Wir können Textilabfälle loswerden, was in der Textilindustrie im Allgemeinen ein großes Problem ist“, sagte Shepherd. „Und dann haben wir herausgefunden, dass es aufgrund seiner natürlichen, strukturellen Eigenschaften wirklich gut adsorbieren kann.“

Für diese Arbeit wurden die gemeinsam genutzten Einrichtungen des Cornell Center for Materials Research sowie die Cornell NanoScale Science and Technology Facility genutzt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation unterstützt wird. Diese Arbeit wurde teilweise durch ein Forschungsstipendium der American Association of Textiles Chemists and Colorists finanziert.

Herstellung von Bags für den Transport von Süßwasser auf dem Seeweg: Planen sind großflächige Bahnen aus starkem, flexiblem und wasserabweisendem Material, die zum Schutz vor extremen Bedingungen verwendet werden. Das am häufigsten verwendete Material ist PVC-beschichtetes Polyester, das sich durch seinen niedrigen Preis und seine gute Widerstandsfähigkeit auszeichnet. Das Recycling dieser Produkte stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da es keine kommerziellen Lösungen für das Recycling von Planen in großem Maßstab gibt. Seit Jahrzehnten versuchen Unternehmen, PVC-beschichtete Gewebe durch ein besser recycelbares Polymer zu ersetzen. Zwar gibt es einige Alternativen, doch sind diese in der Regel zu kostspielig, um mit PVC-beschichteten Geweben konkurrieren zu können, und sie erfüllen nicht in vollem Umfang die strengen Anforderungen an Sicherheit und Recyclingfähigkeit.
 
Das europäische Projekt TARPAULIFE soll die Möglichkeit aufzeigen, großflächige, mit Polyolefinen wie Polyethylen und Polypropylen beschichtete Gewebe zu fertigen, die in puncto Kosten mit PVC-beschichteten Geweben konkurrieren können und gleichzeitig deren Eigenschaften wie Festigkeit, Flexibilität, Undurchlässigkeit und geringere Umweltbelastung aufweisen. Dieses neue Material wird zur Herstellung von Säcken für den Transport von Süßwasser auf dem Seeweg verwendet, obwohl dieses innovative, nachhaltigere und wiederverwertbare Gewebe auch für andere Produkte, wie z. B. für LKW-Planen und Abdeckungen, verwendet werden kann.

Rina Consulting koordiniert dieses durch das europäische LIFE-Programm kofinanzierte Projekt, an dem die Unternehmen Ziplast, Nowa und Giovanardi sowie AIMPLAS beteiligt sind.

Das wesentliche Ergebnis wird eine Produktionsanlage für drei Meter breite polyolefinbeschichtete Gewebe mit einer Produktionskapazität von 250.000 m²/Jahr ein Jahr nach Ablauf des Projekts sein, das im Mai 2024 begonnen hat und zwei Jahre lang dauern wird. Die ausgewählte Hauptanwendung sind Wassersäcke, die eine innovative Form des Transports großer Mengen Süßwasser auf dem Seeweg darstellen, im Gegensatz zu den üblichen Formen des Transports in Tankern.

Nachhaltige Lösung von Wasserversorgungsproblemen
Diese Technologie wurde vor allem dafür entwickelt, um Wasser aus Gebieten mit einem hohen Wasseraufkommen in relativ nahe Gebiete zu transportieren, in denen es aufgrund von Dürreperioden, saisonalem Anstieg der Nachfrage durch den Tourismus und sogar in Notsituationen zu Versorgungsproblemen kommt. Diese Initiative hat bereits zu den von der Europäischen Kommission finanzierten Projekten REFRESH und XXL-REFRESH geführt, an denen AIMPLAS, RINA und Ziplast beteiligt waren und bei denen ein schwimmender Wassersack mit modularem Aufbau und Reißverschluss erfolgreich getestet wurde. Ziel des TARPAULIFE-Projekts ist es, beim Beschichtungsmaterial dieser Polyesterbeutel einen Schritt weiter zu gehen und PVC durch Polyolefine zu ersetzen, damit sie nachhaltiger und leichter zu recyceln sind.
 
Im Rahmen des Projekts werden daher zwei 2.500 m³ fassende Wassersäcke aus dem neuen Material hergestellt, die an zwei Standorten in Europa getestet werden sollen. Die Demonstration des Wassersacks wird ein Reservesystem für Süßwasser in der Nordsee vor der isländischen Küste sowie im Mittelmeer bereitstellen.

Dank der neuen Produktionsanlage für polyolefinbeschichtete Gewebe, die im Ziplast-Werk in Mailand stehen wird, werden drei Jahre nach Projektende voraussichtlich mehr als 100 Wassersäcke hergestellt und mehr als zwei Millionen Kubikmeter Wasser in drei Süßwasserspeichern vorgehalten werden. Die vorgeschlagene Lösung wird dazu beitragen, die Verbrennung von mehr als 2.000 Tonnen PVC zu vermeiden und zu verhindern, dass mehr als 13 Tonnen CO₂ in die Umwelt gelangen.
 
Allgemeine Ziele

• PRODUKTION
  Aufbau einer Produktionsanlage für beschichtete Strukturgewebe auf POLYOLEFIN-Basis mit einer Breite von 3 Metern und einer Produktionskapazität von 250.000 Quadratmetern pro Jahr - bereits 1 Jahr nach Abschluss des Projekts.
• PROTOTYPING
  Prototyping von zwei 2,5 Millionen Liter fassenden Wassersäcken, die mit den neuen beschichteten Geweben auf POLYOLEFIN-Basis hergestellt wurden; Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben.
• DEMONSTRATION
  Erprobung des Wassersacks, der als Reservespeicher für Süßwasser an zwei Orten in Europa, vor der Küste Islands und im Mittelmeer, eingesetzt werden soll.
• VERWERTUNG & ÜBERTRAGBARKEIT
  Nutzung und Wiederholung der Projektergebnisse in anderen Sektoren, insbesondere für die Herstellung von umweltfreundlichen LKW-Planen und Gletschereisabdeckungen, sowie Nachweis der Nachhaltigkeit durch Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben für alle vorgesehenen Anwendungen.
• VERBREITUNG & KOMMUNIKATION
  Eine effektive Verbreitung und Kommunikation der Projektergebnisse, die sich an Interessengruppen weltweit richtet.    

Konkrete Ziele

• Produktionsanlage mit einer neuen Beschichtungsanlage, die bis zu einer Warenbreite von 3.000 mm beschichten kann.
• Beschaffung von Ausrüstung: eine Webmaschine zur Herstellung von hochfesten Textilien mit einer Breite von 3.000 mm aus Polyolefinfasern.
• Integration der Komponenten und Tests: Die Kontrolle und Überwachung, dass die verschiedenen Systemkomponenten vollständig integriert sind und die Erwartungen in Bezug auf die Leistung erfüllen, ist von grundlegender Bedeutung.
• Produktionsläufe, Fehlerbehebung und Validierung.
• Entwurf von Prototypen.
• Beschaffung von Rohstoffen und Zusatzkomponenten.
• Herstellung von Reißverschluss- und Planenmustern.
• Vorführung des Wassersacks unter trockenen Bedingungen.
• Vorführung des Wassersacks auf See (Nordeuropa).
• Wassersack-Demo im Mittelmeer.
• Wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit.
• Management der Projektinnovation durch Anwendung einer sorgfältigen Verwertungs- und IPR-Managementstrategie und Sicherstellung der wirtschaftlichen Lebensfähigkeit aller wichtigen Projektergebnisse.
• Untersuchung der Replikation der entwickelten Lösungen für verschiedene Märkte und Anwendungen. Die erste Verwertung der TARPAULIFE-Ergebnisse wird in Europa erfolgen.
• Erstellung von Kommunikationsmaterial.
• Verbreitung über verschiedene Kanäle.
• Einhaltung der EU-Angaben in Bezug auf alternative Produkte zu PVC und zusatzstofffreie Produkte.

Das Projekt umfasst auch die Übertragung der Ergebnisse auf andere Sektoren, nämlich die Herstellung von umweltfreundlichen LKW-Planen und Gletscherplanen, sowie eine Demonstration der Nachhaltigkeit der neuen Polyolefin-Gewebebeschichtung durch Quantifizierung der Umwelt- und LCA-LCC-Vorteile im Vergleich zur Verwendung von PVC-beschichteten Geweben für alle vorgesehenen Anwendungen.

Das TARPAULIFE-Projekt wird von der Europäischen Union durch das LIFE-Programm unter dem Aktenzeichen 101147948 - LIFE23-ENV-IT-TARPAULIFE kofinanziert.

Das neue Textil, das in den Bereichen Bekleidung, Bauwesen und Lebensmittellagerung eingesetzt werden kann, reduziert sowohl die Wärme der Sonne als auch die Abstrahlung von Gebäuden in der Nähe.

In diesem Jahr gab es bereits massive Hitzewellen rund um den Globus, wobei in Städten in Mexiko, Indien, Pakistan und Oman Temperaturen von 50 Grad Celsius oder mehr erreicht wurden.

Mit dem Anstieg der globalen Temperaturen und der Stadtbevölkerung haben sich die Städte der Welt zu „städtischen Hitze-Inseln“ entwickelt, in denen sich die Temperaturen durch die dichte Bebauung und die Wärmeabstrahlung von Bürgersteigen und Wolkenkratzern noch weiter erhöhen. Da bis 2050 voraussichtlich 68 Prozent aller Menschen in Städten leben werden, ist dies ein wachsendes, tödliches Problem.

In einem in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ein neues, tragbares Gewebe, das Stadtbewohnern helfen kann, die schlimmsten Auswirkungen der durch den globalen Klimawandel verursachten massiven Hitze zu überleben, mit Anwendungsmöglichkeiten für Kleidung, Gebäude- und Autodesign sowie Nahrungsmittellagerung.

In Tests unter der Sonne Arizonas blieb das Material 2,3 Grad Celsius (4,1 Grad Fahrenheit) kühler als das für Ausdauersportarten im Freien verwendete Breitband-emittierende Gewebe und 8,9 Grad Celsius (16 Grad Fahrenheit) kühler als die kommerzielle Seide, die üblicherweise für Hemden, Kleider und andere Sommerkleidung verwendet wird.

Das Team hofft, dass dadurch die hitzebedingten Krankenhausaufenthalte und Todesfälle vermieden werden können, die allein in diesem Jahr in den Ballungszentren der Welt zu verzeichnen waren.

„Wir müssen die Kohlenstoffemissionen reduzieren und unsere Städte kohlenstoffneutral oder kohlenstoffnegativ machen“, sagte PME-Assistenzprofessor Po-Chun Hsu. „Aber in der Zwischenzeit spüren die Menschen die Auswirkungen dieser hohen Temperaturen“.

„Man muss die Umgebungsbedingungen berücksichtigen“
Bestehende kühlende Textilien für Outdoor-Sportarten reflektieren das Sonnenlicht in einem diffusen Muster, damit es die Zuschauer nicht blendet. Aber in einer städtischen Wärmeinsel ist die Sonne nur eine Wärmequelle. Während die Sonne von oben brennt, entsteht für die Stadtbewohnern durch die Wärmestrahlung von Gebäuden und Straßenbelägen von den Seiten und von unten eine glühende Hitze.

Das bedeutet, dass viele Materialien, die in Labortests gut abschneiden, den Stadtbewohnern in Arizona, Nevada, Kalifornien, Südostasien und China nicht helfen werden, wenn die für die nächsten Wochen vorhergesagten massiven Hitzewellen über sie hereinbrechen.

„Normalerweise konzentrieren sich die Menschen auf die Leistung oder das Materialdesign von kühlenden Textilien“, sagte der Ronghui Wu, Postdoktorand am PME. „Um ein Textil zu entwickeln, das das Potenzial hat, im echten Leben eingesetzt zu werden, muss man die Umgebungsbedingungen berücksichtigen.“

Ein einfaches Beispiel für die Berücksichtigung der Umgebung ist, dass Menschen stehen. Sie tragen Materia-lien, die so konzipiert sind, dass sie direktes Sonnenlicht reflektieren, aber nur ihre Hüte, Schulterbedeckungen und die Oberseiten ihrer Schuhe - etwa 3 Prozent ihrer Kleidung - sind diesem direkten Licht ausgesetzt. Die anderen 97 Prozent ihrer Kleidung werden durch die Wärmestrahlung aufgeheizt, die von den Seiten und von unten auf sie einwirkt und gegen die das breitbandige emittierende Gewebe nichts ausrichten kann.

Die Sonne und der Bürgersteig erzeugen unterschiedliche Temperaturen. Die Entwicklung eines Materials, das die Träger vor beidem schützt, war eine große technische Herausforderung für das Team.

„Sonnenlicht ist sichtbares Licht, Wärmestrahlung ist Infrarotstrahlung, sie haben also unterschiedliche Wellenlängen. Das bedeutet, dass man ein Material braucht, das zwei optische Eigenschaften gleichzeitig hat. Das ist eine große Herausforderung“, sagt Chenxi Sui, ein Doktorand am PME. „Man muss mit der Materialwissenschaft spielen, um das Material so zu entwickeln und abzustimmen, dass man verschiedene Resonanzen bei verschiedenen Wellenlängen erhält.“

Die Folgekosten des Komforts
Die Kühlung eines Hauses bedeutet allzu oft eine Erwärmung des Planeten, wobei die Kohlenstoffbelastung durch Klimaanlagen und Kühlsysteme zum Klimawandel beiträgt.

„Unsere Zivilisation verbraucht etwa 10 bis 15 Prozent der gesamten Energie, nur damit wir uns wohlfühlen, egal wo wir sind“, sagte Hsu.

Die Bedrohung durch Hitze ist jedoch nicht gleichmäßig verteilt. In den USA und Japan haben mehr als 90 Prozent der Haushalte eine Klimaanlage, in Indien und Teilen Afrikas sind es nur 5 Prozent.

Das neue Textil des PME-Teams, für das ein vorläufiges Patent erteilt wurde, kann dazu beitragen, ein passives Kühlsystem bereitzustellen, das den Bedarf an energie- und kostenintensiven Systemen ergänzen und reduzieren kann.

Die Anwendungen gehen weit über Kleidung hinaus.

Eine dickere Version des Gewebes, die durch eine unsichtbare Polyethylenschicht geschützt ist, könnte an den Seiten von Gebäuden oder Autos verwendet werden, um die Innentemperaturen zu senken und die Kosten und die Kohlenstoffbelastung durch Klimaanlagen zu verringern. Ebenso könnte das Material für den Transport und die Lagerung von Milch und anderen Lebensmitteln verwendet werden, die sonst in der Hitze verderben würden, wodurch die Auswirkungen ihrer Kühlung verringert würden.

„Man kann eine Menge Kühl-, Strom- und Energiekosten sparen, da es sich um einen passiven Prozess handelt“, so Sui.

Sollen Medikamente lokal – und vor allem über längere Zeit kontrolliert – abgegeben werden, stoßen medizinische Produkte wie Salben oder Spritzen an ihre Grenzen. Empa-Forschende entwickeln daher Polymerfasern, die Wirkstoffe langfristig präzise abgeben können. Diese „Flüssigkernfasern“ enthalten Medikamente in ihrem Inneren und lassen sich zu medizinischen Textilien verarbeiten.

Wird eine Wunde oder Entzündung direkt am Ort der Entstehung behandelt, hat dies klare Vorteile: Der Wirkstoff ist sofort am Ziel, und negative Nebenwirkungen auf unbeteiligte Körperteile entfallen. Gängige lokale Verabreichungsmethoden kommen jedoch an ihre Grenzen, wenn es darum geht, Wirkstoffe über längere Zeit präzise zu dosieren. Sobald eine Salbe die Tube verlässt oder die Injektionsflüssigkeit aus der Spritze strömt, ist die Steuerung der Wirkstoffmenge kaum mehr möglich. Edith Perret aus dem Empa-Labor „Advanced Fibers“ in St. Gallen entwickelt daher medizinische Fasern mit ganz besonderen „inneren Werten“: Die Polymerfasern umschließen einen flüssigen Kern mit medizinischen Wirkstoffen. Das Ziel: medizinische Produkte mit besonderen Fähigkeiten, z.B. chirurgisches Nahtmaterial, Wundverbände und Textilimplantate, die Schmerzmittel, Antibiotika oder Insulin präzise über einen längeren Zeitraum verabreichen können. Angestrebt ist zudem eine individuelle Dosierbarkeit im Sinne einer personalisierten Medizin.

Bioverträglich und maßgeschneidert
Ein entscheidender Faktor, der eine herkömmliche Textilfaser zu einem Medizinprodukt macht, ist das Material des Fasermantels. Das Team wählte hierfür Polycaprolacton (PCL), ein bioverträgliches und bioabbaubares Polymer, das bereits erfolgreich im medizinischen Bereich eingesetzt wird. Der Fasermantel umschließt das kostbare Gut, etwa ein Schmerzmittel oder ein antibakteriell wirksames Medikament, und gibt es mit der Zeit an die Umgebung ab. Auf einer eigens konstruierten Pilotanlage erzeugten die Forschenden mittels Schmelzspinnen PCL-Fasern mit einem durchgehenden Kern aus Flüssigkeit. In ersten Laborversuchen entstanden so stabile und gleichzeitig flexible Flüssigkernfasern. Dass dieses Verfahren aber nicht nur im Labor, sondern auch im industriellen Maßstab funktioniert, hatte das Team für technische Fasern bereits zuvor gemeinsam mit einem Schweizer Industriepartner erfolgreich zeigen können.

Nach welchen Parametern die medizinischen Fasern ein eingeschlossenes Mittel freisetzen, wurde zunächst mit fluoreszierenden Modellsubstanzen und schließlich mit verschiedenen Medikamenten untersucht. „Kleine Moleküle wie das Schmerzmittel Ibuprofen bewegen sich nach und nach durch die Struktur des Außenmantels“, so Edith Perret. Größere Moleküle werden hingegen an den Enden der Fasern abgegeben.

Präzise steuerbar und langfristig wirksam
„Dank einer Vielzahl verschiedener Parameter lassen sich die Eigenschaften der medizinischen Fasern präzise steuern“, erklärt die Empa-Forscherin. Nach umfassenden Analysen mittels Fluoreszenzspektroskopie, Röntgentechnologie und Elektronenmikroskopie konnten die Forschenden beispielsweise den Einfluss von Manteldicke oder Kristallstruktur des Mantelmaterials auf die Abgaberate von Medikamenten aus den Flüssigkernfasern nachweisen.

Je nach Wirkstoff kann zudem das Herstellungsverfahren angepasst werden: Wirkstoffe, die unempfindlich gegenüber den hohen Temperaturen beim Schmelzspinnen sind, können direkt in einem kontinuierlichen Vorgang in den Kern der Fasern integriert werden. Für Temperatur-empfindliche Medikamente konnte das Team das Verfahren hingegen so optimieren, dass zunächst ein Platzhalter den Flüssigkern ausfüllt, der nach dem Schmelzspinnen durch den sensitiven Wirkstoff ausgetauscht wird.

Zu den Vorteilen der Flüssigkernfasern gehört auch die Möglichkeit, den Wirkstoff aus einem Reservoir über einen längeren Zeitraum freizusetzen. Damit ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Mit Durchmessern von 50 bis 200 Mikrometern sind die Fasern beispielsweise groß genug, um sie zu robusten Textilien zu weben oder zu stricken. Die medizinischen Fasern könnten aber auch ins Körperinnere geführt werden und dort Hormone wie Insulin abgeben, so Perret. Ein weiterer Vorteil: Fasern, die ihr Medikament freigesetzt haben, können erneut befüllt werden. Die Palette der Wirkstoffe, die mittels Flüssigkernfasern einfach, bequem und präzise verabreicht werden könnten, ist groß. Neben Schmerzmitteln sind entzündungshemmende Medikamente, Antibiotika oder sogar Lifestyle-Präparate denkbar.

In einem nächsten Schritt wollen die Forschenden chirurgisches Nahtmaterial mit antimikrobiellen Eigenschaften ausstatten. Mit dem neuen Verfahren sollen verschiedene Flüssigkernmaterialen mit medizinischen Wirkstoffen befüllt werden, um Gewebe bei einer Operation so zu vernähen, dass Wundkeime keine Chance haben, eine Infektion auszulösen. Empa-Forscherin Perret ist darüber hinaus überzeugt, dass eine künftige Zusammenarbeit mit klinischen Partnern die Basis für weitere innovative klinische Anwendungen ist.

Klinische Partnerschaften angestrebt
Eine neue Technologie vorantreiben? Innovative Anwendungsmöglichkeiten identifizieren? Empa-Forscherin Edith Perret setzt auf interessierte Medizinerinnen und Mediziner aus der Klinik, die das Potenzial von „Drug Delivery“ per Flüssigkernfaser erkennen und in diesem Bereich aktiv werden wollen.

Als Weltpremiere für die Modeindustrie hatten sich im Oktober 2020 zwölf Pionierunternehmen zusammengefunden, um neue Wege zu beschreiten und ein Kreislaufmodell für die kommerzielle Bekleidungsproduktion zu entwickeln. Mehr als drei Jahre lang wurden Textilabfälle gesammelt und sortiert und mithilfe der Technologie zur Wiederherstellung von Textilfasern der Infinited Fiber Company zu einer neuen, künstlichen Zellulosefaser recycelt, die aussieht und sich anfühlt wie Baumwolle - eine „neue Baumwolle“.

Das zukunftsweisende New Cotton Project startete im Oktober 2020 mit dem Ziel, eine zirkuläre Wertschöpfungskette für die kommerzielle Bekleidungsproduktion aufzuzeigen. Während des gesamten Projekts arbeitete das Konsortium daran, Alttextilien zu sammeln und zu sortieren, die mithilfe der innovativen Infinited Fiber-Technologie zu einer neuen zellulosehaltigen Chemiefaser namens Infinna™ recycelt werden konnten, die genauso aussieht und sich anfühlt wie neue Baumwolle. Die Fasern wurden zu Garnen gesponnen und zu verschiedenen Geweben verarbeitet, die von adidas und H&M entworfen, produziert und verkauft wurden. Der adidas by Stella McCartney-Trainingsanzug sowie eine bedruckte Jacke und Jeans von H&M sind damit die ersten Produkte, die von einem kreislauforientierten Konsortium dieser Größenordnung hergestellt wurden und damit einen innovativen und kreislauforientierten Ansatz für die Modeindustrie aufzeigt.
 
Da das Projekt im März 2024 abgeschlossen wurde, stellt das Konsortium acht Schlüsselfaktoren in den Fokus, die es als grundlegend für die erfolgreiche Skalierung des Faser-zu-Faser-Recyclings erachtet.

Die breite Einführung zirkulärer Wertschöpfungsketten ist entscheidend für den Erfolg
Die Kreislaufwirtschaft im Textilbereich erfordert neue Formen der Zusammenarbeit und des offenen Wissensaustauschs zwischen verschiedenen Akteuren in Kreislaufökosystemen. Diese Ökosysteme müssen Akteure einbeziehen, die über die traditionellen Lieferketten hinausgehen und bisher voneinander getrennte Industrien und Sektoren wie die Textil- und Modebranche, die Abfallsammlung und -sortierung und die Recyclingindustrie sowie digitale Technologien, Forschungsorganisationen und politische Entscheidungsträger einbeziehen. Damit das Ökosystem effektiv funktionieren kann, müssen die verschiedenen Akteure an der Abstimmung von Prioritäten, Zielen und Arbeitsmethoden beteiligt sein und die Bedürfnisse, Anforderungen und technisch-wirtschaftlichen Möglichkeiten der anderen kennenlernen. Aus einer breiteren Perspektive betrachtet, ist auch ein grundlegenderer Wandel in den Denkweisen und Geschäftsmodellen im Hinblick auf einen systemischen Übergang zur Kreislaufwirtschaft erforderlich, z. B. die Abkehr von den linearen Geschäftsmodellen der Fast Fashion. Neben dem offenen Wissensaustausch innerhalb solcher Ökosysteme ist es ebenfalls wichtig, gelernte Lektionen und Erkenntnisse öffentlich zu machen, um andere Marktteilnehmer bei der Umstellung auf die Kreislaufwirtschaft zu unterstützen und zu inspirieren.
     
Kreislaufwirtschaft beginnt mit dem Designprozess
Bei der Entwicklung neuer Styles ist es wichtig, von Anfang an ein End-of-Life-Szenario im Auge zu behalten. Denn davon hängt ab, welche Verzierungen, Drucke und Accessoires verwendet werden können. Wenn Designer es dem Recyclingprozess so einfach wie möglich machen, ist die Chance größer, dass die Kleidung tatsächlich wieder als Rohstoff verwendet wird. Darüber hinaus ist es wichtig, Geschäftsmodelle zu entwickeln, die es ermöglichen, Produkte so lange wie möglich zu nutzen, einschließlich Reparatur-, Miet-, Wiederverkaufs- und Sharing-Dienste.

Aufbau und Ausbau von Sortier- und Recyclinginfrastrukturen sind entscheidend
Um die kreislauforientierte Bekleidungsproduktion auszubauen, bedarf es technologischer Innovationen und der Entwicklung von Infrastrukturen für die Sammlung und Sortierung von Alttextilien sowie für die mechanische Vorverarbeitung des Ausgangsmaterials. Derzeit erfolgt ein Großteil der Textilsortierung manuell, und die verfügbaren optischen Sortier- und Identifizierungstechnologien sind nicht in der Lage, Kleidungsschichten und komplexe Fasermischungen zu erkennen oder Abweichungen in der Qualität des Ausgangsmaterials für das Faser-zu-Faser-Recycling festzustellen. Die Vorbehandlung des Ausgangsmaterials ist ein entscheidender Schritt im Textil-zu-Textil-Recycling, der jedoch außerhalb derjenigen, die ihn tatsächlich ausführen, nicht gut verstanden wird. Dies erfordert eine Zusammenarbeit über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg, und es bedarf eingehender Kenntnisse und Fähigkeiten, um dies richtig zu tun. Dies ist ein Bereich, der mehr Aufmerksamkeit und stärkere wirtschaftliche Anreize braucht, wenn das Textil-zu-Textil-Recycling ausgebaut wird.

Die Verbesserung von Qualität und Datenlage ist entscheidend
Es besteht immer noch ein erheblicher Mangel an verfügbaren Daten, die den Übergang zu einer Kreislauftextilindustrie unterstützen. Dies bremst die Entwicklung von Systemlösungen und wirtschaftlichen Anreizen für den Textilkreislauf. So werden beispielsweise die Mengen der auf den Markt gebrachten Textilien oft als Ersatz für die Mengen an Post-Consumer-Textilien herangezogen, aber die verfügbaren Daten sind mindestens zwei Jahre alt und oft unvollständig. Auch auf nationaler Ebene kann es unterschiedliche Zahlen zu Textilabfällen geben, die aufgrund unterschiedlicher Methoden oder Datenjahre nicht übereinstimmen. Dies zeigt sich in den Berichten der niederländischen Massenbilanzstudie 2018 und des Überwachungsberichts zur Kreislaufwirtschaftspolitik für Textilien 2020, wo es einen Unterschied von 20 % zwischen den auf den Markt gebrachten Zahlen und den gemessenen Mengen an separat gesammelten und im gemischten Restmüll enthaltenen Post-Consumer-Textilien gibt. Abgesehen von einigen guten Studien wie Sorting for Circularity Europe und der jüngsten Charakterisierungsstudie von ReFashion gibt es auch fast keine zuverlässigen Informationen über die Faserzusammensetzung im Post-Consumer-Textilstrom. Textil-zu-Textil-Recycler würden von einer besseren Verfügbarkeit zuverlässigerer Daten profitieren. Die politische Überwachung von Systemen der erweiterten Herstellerverantwortung sollte sich darauf konzentrieren, die Anforderungen an die Berichterstattung in ganz Europa von der Sammlung von Post-Consumer-Textilien bis zu ihrem endgültigen Endpunkt zu standardisieren und Anreize für die Digitalisierung zu schaffen, damit die Berichterstattung automatisiert werden kann und hochwertige Textildaten nahezu in Echtzeit zur Verfügung stehen.

Die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Forschung und Entwicklung über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg
Insgesamt deuten die Ergebnisse des New Cotton Project darauf hin, dass Stoffe, die Infinna™-Fasern enthalten, eine nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Baumwoll- und Viskosegeweben darstellen, wobei sie ähnliche Leistungsmerkmale und ästhetische Qualitäten aufweisen. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Textilindustrie im Hinblick auf Nachhaltigkeit und umweltfreundlichere Produktionsverfahren haben. Das Projekt hat jedoch auch gezeigt, dass die Skalierung des Faser-zu-Faser-Recyclings weiterhin kontinuierliche Forschung und Entwicklung in der gesamten Wertschöpfungskette erfordert. So ist beispielsweise der Bedarf an Forschung und Entwicklung im Bereich der Sortiersysteme von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen des chemischen Recyclings ist es ebenfalls erforderlich, eine hohe Rückgewinnungsrate und den Kreislauf der verwendeten Chemikalien sicherzustellen, um die Umweltauswirkungen des Prozesses zu begrenzen. Bei den Herstellungsprozessen wurde überdies hervorgehoben, dass eine kontinuierliche Innovation bei der Verarbeitungsmethode von Vorteil ist und dass Technologien und Marken eng mit den Herstellern zusammenarbeiten müssen, um die weitere Entwicklung in diesem Bereich zu unterstützen.

Über weniger umweltbelastende Fasern hinaus denken
Die von Dritten geprüfte Ökobilanz der Wertschöpfungskette des New Cotton Project zeigt, dass die Cellulosecarbamatfaser, insbesondere wenn sie mit einer erneuerbaren Stromquelle hergestellt wird, im Vergleich zu herkömmlicher Baumwolle und Viskose potenziell geringere Umweltauswirkungen aufweist. Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Vergleich auf der Grundlage von durchschnittlichen globalen Datensätzen von Ecoinvent für Baumwoll- und Viskosefasern durchgeführt wurde und dass die Umweltleistung der auf dem Markt erhältlichen Primärfasern unterschiedlich ist. Die Analyse verdeutlicht jedoch auch, wie wichtig der Rest der Zuliefererkette für die Verringerung der Umweltauswirkungen ist. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei einer Verringerung der Umweltauswirkungen durch die Verwendung von Recyclingfasern in anderen Phasen des Lebenszyklus noch einiges zu tun ist. So sind zum Beispiel die Qualität der Kleidungsstücke und ihre Nutzung während ihrer gesamten Lebensdauer entscheidend für die Verringerung der Umweltauswirkungen pro Kleidungsstück.
          
Einbeziehung der Verbraucher
Die EU hat die Kultur als eines der Haupthindernisse für die Einführung der Kreislaufwirtschaft in Europa identifiziert. Eine quantitative Verbraucherbefragung von adidas, die während des Projekts in drei wichtigen Märkten durchgeführt wurde, ergab, dass es immer noch Verwirrung über die Kreislaufwirtschaft bei Textilien gibt, was die Bedeutung einer effektiven Kommunikation mit den Verbrauchern und von Aktivitäten zur Einbindung der Öffentlichkeit verdeutlicht hat.
     
Einheitliche Rechtsvorschriften
Die Gesetzgebung ist ein wirksames Instrument, um die Einführung nachhaltigerer und kreislauforientierter Praktiken in der Textilindustrie voranzutreiben. Da allein in der EU mehrere neue Gesetzesvorhaben anstehen, ist ein kohärenter und harmonisierter Ansatz für die erfolgreiche Umsetzung der Politik in der Textilindustrie unerlässlich. Die Betrachtung des Zusammenhangs zwischen unterschiedlichen Rechtsvorschriften wie der erweiterten Herstellerverantwortung und der Verordnung über das Ökodesign für nachhaltige Produkte sowie der entsprechenden Umsetzungsfristen wird den Akteuren in der gesamten Wertschöpfungskette helfen, sich effektiv auf die Annahme dieser neuen Vorschriften vorzubereiten.

Die hohe und ständig wachsende Nachfrage nach recycelten Materialien setzt voraus, dass alle denkbaren End-of-Use-Textilien gesammelt und sortiert werden müssen. Um die Nachfrage zu befriedigen, werden sowohl mechanische als auch chemische Recyclinglösungen benötigt. Außerdem sollten wir beide Wege, den geschlossenen Kreislauf (Faser-zu-Faser) und den offenen Kreislauf (Faser zu anderen Sektoren), effektiv umsetzen. Der Export von minderwertigen wiederverwendbaren Textilien in Länder außerhalb der EU muss dringend überdacht werden. Es wäre vorteilhafter, sie in Europa wiederzuverwenden oder, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, diese Textilien im europäischen Binnenmarkt zu recyceln, anstatt sie in Länder zu exportieren, in denen die Nachfrage oft nicht gesichert und die Abfallwirtschaft unzureichend ist.

Insgesamt verdeutlichen die Erkenntnisse die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes und eines grundlegenden Umdenkens in den Arbeitsweisen der Textilindustrie. Eine vertiefte Zusammenarbeit und ein Wissensaustausch sind von zentraler Bedeutung für die Entwicklung effektiver Kreislauf-Wertschöpfungsketten, die dazu beitragen, die Skalierung innovativer Recyclingtechnologien zu unterstützen und die Verfügbarkeit von Recyclingfasern auf dem Markt zu erhöhen. Die Weiterentwicklung und Skalierung des Sammelns und Sortierens sowie die Behebung der erheblichen Lücken bei der Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen Daten über die Textilströme sollten dringend Vorrang haben. Das New-Cotton-Projekt hat auch gezeigt, dass Recycling-Fasern wie Infinna™ eine nachhaltigere Alternative zu einigen anderen traditionellen Fasern darstellen, gleichzeitig aber auch verdeutlicht, wie wichtig es ist, die Wertschöpfungskette als Ganzes zu betrachten, um die Umweltauswirkungen zu verringern. Kontinuierliche Forschung und Entwicklung über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass wir in Zukunft recycelte Textilien in großem Maßstab anbieten können.

Das New Cotton Project wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101000559 gefördert.

Hautverletzungen durch anhaltenden Druck entstehen häufig bei Menschen, die ihre Position nicht selbstständig verändern können – etwa erkrankte Neugeborene im Spital oder ältere Menschen. Empa-Forschende bringen jetzt dank erfolgreicher Partnerschaften mit Industrie und Forschung zwei smarte Lösungen für das Wundliegen auf den Weg.

Lastet längere Zeit zu viel Druck auf unserer Haut, nimmt sie Schaden. Zu den Bevölkerungsgruppen, die einem hohen Risiko für derartige Druckverletzungen ausgesetzt sind, gehören beispielsweise Menschen im Rollstuhl, Neugeborene auf der Intensivstation oder Betagte. Die Folgen sind Wunden, Infektionen und Schmerzen.

Die Behandlung ist aufwändig und teuer: Jährlich entstehen Gesundheitskosten von rund 300 Millionen Schweizer Franken. "Darüber hinaus können bestehende Erkrankungen durch derartige Druckverletzungen verschlimmert werden", sagt Empa-Forscher Simon Annaheim vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor in St. Gallen. Nachhaltiger wäre es, so Annaheim, den Gewebeschäden vorzubeugen, um sie gar nicht erst entstehen zu lassen. Zwei aktuelle Forschungsprojekte unter Beteiligung der Empa bringen nun entsprechende Lösungen voran: Entwickelt wird hierbei eine Druck-ausgleichende Matratze für Neugeborene auf der Intensivstation und ein textiles Sensorsystem für querschnittsgelähmte Personen und bettlägerige Menschen.

Optimal gebettet am Start des Lebens
Dabei sind die Ansprüche der Haut je nach Alter völlig unterschiedlich: Bei Erwachsenen stehen die Reibung der Haut auf der Liegefläche, physikalische Scherkräfte im Gewebe und eine fehlende Atmungsaktivität von Textilien als Risikofaktoren im Vordergrund. Die Haut von Neugeborenen, die intensivmedizinisch behandelt werden, ist dagegen per se äusserst empfindlich, jeder Flüssigkeits- und Wärmeverlust über die Haut kann zum Problem werden. "Während diese besonders verletzlichen Babys gesundgepflegt werden, sollte die Liegesituation keine zusätzlichen Komplikationen hervorrufen", so Empa-Forscher Annaheim. Dass herkömmliche Matratzen die Lösung für Neugeborene mit ganz unterschiedlichem Gewicht und verschiedenen Erkrankungen sein können, glaubt er nicht. Das Team um Annaheim sucht daher mit Forschenden der ETH Zürich, der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) und des Universitäts-Kinderspital Zürich nach einer optimalen Liegefläche für die zarte Kinderhaut. Diese Matratze müsste sich individuell an den Körper anpassen können, um Kindern bei einem schwierigen Start ins Leben helfen zu können.

Hierzu ermittelten die Forschenden zunächst die Druckverhältnisse an den verschiedenen Körperregionen von Neugeborenen. "Unsere Drucksensoren haben gezeigt, dass Kopf, Schultern und untere Wirbelsäule die Zonen mit dem grössten Risiko für Druckstellen sind", sagt Annaheim. Diese Ergebnisse flossen in die Entwicklung einer luftgefüllten Matratze der besonderen Art ein: Ihre drei Kammern können mit Hilfe von Drucksensoren und einem Mikroprozessor über eine elektronische Pumpe präzise so befüllt werden, dass der Druck an den jeweiligen Stellen minimiert wird. Eine an der Empa entwickeltes Infrarot-Laser-Verfahren erlaubte es dabei die Matratze aus einer flexiblen, mehrschichtigen und hautschonenden Polymermembran ohne störende Kanten zu erzeugen.

Nach einem mehrstufigen Entwicklungsprozess im Labor durften erste kleine Patientinnen und Patienten auf dem Prototyp der Matratze liegen. Der Effekt machte sich sofort bemerkbar, als die Forschenden die Matratze je nach den individuellen Bedürfnissen der Babys unterschiedlich stark mit Luft füllten: Gegenüber einer herkömmlichen Schaumstoffmatratze reduzierte der Prototyp den Druck auf die gefährdeten Körperstellen um bis zu 40 Prozent.

Nach dieser erfolgreichen Pilotstudie wird der Prototyp in den Empa-Labors nun weiter optimiert. Demnächst starten Simon Annaheim und Doktorand Tino Jucker eine grösser angelegte Studie mit der neuen Matratze mit der Abteilung für Intensivmedizin & Neonatologie am Kinderspital Zürich.

Intelligente Sensoren beugen vor
In einem weiteren Projekt arbeiten Empa-Forschende daran, den sogenannten Dekubitus-Gewebeschäden bei Erwachsenen vorzubeugen. Hierbei werden die Risikofaktoren Druckbelastung und Durchblutungsstörung in hilfreiche Warnsignale umgewandelt.

Liegt man längere Zeit in der gleichen Position, führen Druck und Durchblutungsstörungen zu einer Unterversorgung des Gewebes mit Sauerstoff. Während der Sauerstoffmangel bei gesunden Menschen einen Reflex ausgelöst, sich zu bewegen, kann dieser neurologische Feedback-Loop etwa bei Menschen mit Querschnittslähmung oder bei Koma-Patienten gestört sein. Hier können smarte Sensoren helfen, frühzeitig vor dem Risiko eines Gewebeschadens zu warnen.

Im Projekt "ProTex" hat ein Team aus Forschenden der Empa, der Universität Bern, der Fachhochschule OST und der Bischoff Textil AG in St. Gallen ein Sensorsystem aus smarten Textilien mit zugehöriger Datenanalyse in Echtzeit entwickelt. "Die hautverträglichen textilen Sensoren enthalten zwei verschiedene funktionelle Polymerfasern», sagt Empa-Forscher Luciano Boesel vom "Biomimetic Membranes and Textiles"-Labor in St. Gallen. Neben Druck-sensitiven Fasern integrierten die Forschenden lichtleitende Polymerfasern (POFs), die der Sauerstoffmessung dienen. "Sobald der Sauerstoffgehalt in der Haut abfällt, signalisiert das hochempfindliche Sensorsystem ein steigendes Risiko für Gewebeschäden", erklärt Boesel. Die Daten werden dann direkt an den Patienten oder das Pflegepersonal übermittelt. So könne etwa eine liegende Person rechtzeitig umgelagert werden, bevor das Gewebe Schaden nimmt.

Patentierte Technologie
Die Technologie dahinter beinhaltet auch ein an der Empa entwickeltes neuartiges Mikrofluidik-Nassspinnverfahren für die Herstellung von POFs. Es erlaubt eine präzise Steuerung der Polymerkomponenten im Mikrometerbereich und eine sanftere, umweltfreundlichere Verarbeitung der Fasern. Das Mikrofluidik-Verfahren ist eines von drei Patenten, die bisher aus dem "ProTex"-Projekt hervorgegangen sind.

Ein weiteres Produkt ist ein atmungsaktiver Textilsensor, der direkt auf der Haut getragen wird. Das 2023 aus dem Projekt entstandene Spin-off "Sensawear" in Bern treibt derzeit die Markteinführung voran. Darüber hinaus ist Empa-Forscher Boesel überzeugt: "Die Erkenntnisse und Technologien aus "ProTex" werden künftig weitere Anwendungen im Bereich der tragbaren Sensorik und der smarten Kleidung ermöglichen."

Die anhaltende Energiekrise bringt das Bäckerhandwerk mehr und mehr an seine Grenzen. Allerorts müssen Bäckereien schließen, weil sie die stark gestiegenen Kosten für Strom und Gas nicht mehr aufbringen können. Der Einsatz energieeffizienter Backöfen und die Optimierung der Produktionsprozesse sind wichtige Bausteine, die helfen, Energie einzusparen. Forscher des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg haben jetzt einen weiteren Baustein entwickelt: eine textile Backunterlage.
 
In Bäckereien werden standardmäßig Bleche als Unterlage für die Backware in Kombination mit Backpapier oder Mehl eingesetzt, was nicht nur zu hohen Mengen an Abfall, sondern auch zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen (Bäckerasthma) führt. Die Backbleche sind zudem schwer und erhöhen durch ihre Masse den Energieverbrauch im Ofen, da sie bei jedem Backvorgang mit aufgeheizt werden müssen.

Vor diesem Hintergrund hatte die Bayerische Forschungsstiftung im Jahr 2021 ein Forschungsprojekt bewilligt, in dem eine Alternative zu herkömmlichen Backblechen entwickelt werden sollte und das 2023 erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Projektpartner waren das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK aus Münchberg, die Fickenschers Backhaus GmbH aus Münchberg und die Weberei Wilhelm Zuleeg GmbH aus Helmbrechts.

Ziel des Projekts war es, eine energiesparende, schadstofffreie und wiederverwendbare textile Backunterlage mit integrierter Antihaftwirkung für den Einsatz in industriellen Bäckereien zu entwickeln. Leichtgewichtige und hitzebeständige Textilien bieten das Potenzial, die Vorheiztemperatur im Backofen zu senken und somit den Energieverbrauch zu reduzieren.
 
In einem ersten Schritt wurde daher ein dünnes para-Aramidgewebe aus Langstapelfasergarn mit 120 g/m² gefertigt und auf einen metallischen Rahmen gespannt. „Für die Webbindung hat sich die Dreherbindung als besonders geeignet erwiesen. Ihre charakteristische Gitterstruktur gewährleistet, dass das Textil nicht nur leicht, sondern auch luftdurchlässig ist“, so Silke Grosch vom Fraunhofer-Anwendungszentrum TFK.

„Außerdem kann sich das Gewebe durch das Fixieren der Fäden beim Waschen nicht verziehen und bleibt für lange Zeit formstabil“. Eine vollflächige Silikonbeschichtung sorgt schließlich dafür, dass die Backware an der Backunterlage nicht anhaftet. Dadurch kann auf das bislang notwendige Backpapier und die Mehlschicht verzichtet werden. Damit am Ende die Brötchen genauso rösch und braun aus dem Ofen kommen wie bei einem Standardblech, muss lediglich das Backprogramm angepasst werden. Ein wesentlicher Vorteil der textilen Backunterlage besteht weiterhin darin, dass sie faltbar ist und damit platzsparend gelagert werden kann.  
Im Zuge der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) wird die Backunterlage mit intelligenten Zusatzfunktionen ausgestattet sein. Zum einen können die Produktionsdaten im Backbetrieb mittels RFID-Chips oder QR-Codes ermittelt werden, zum anderen können Backwaren über ein individuelles Branding gezielt beworben werden.

Prof. Dr. Frank Ficker, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums TFK resümiert: „Mit der textilen Backunterlage haben wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern ein zeitgemäßes und ressourcenschonendes Produkt entwickelt, das sich durch geringes Gewicht und hohe Flexibilität auszeichnet. Zusammen mit den möglichen Energieeinsparungen wird es dadurch für viele Bäckereibetriebe interessant.“

Das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg ist spezialisiert auf die Entwicklung, Herstellung und Prüfung textiler keramischer Komponenten. Es gehört zum Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL in Bayreuth, eine Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC mit Hauptsitz in Würzburg.

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

„Jeder sollte darüber nachdenken, wo immer er kann, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche zu ersetzen, um unserer Zivilisation zu helfen zu überleben", sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können nicht warten. Wenn das Haus brennt und man beginnt, einen Brunnen zu graben, dann wird das nicht funktionieren. Es ist an der Zeit, das Haus zu löschen.“

Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Textilien verwenden, um neue Materialien zu schaffen. Die Technology Commercialization Services (TCS) der UConn haben für beide Technologien vorläufige Patente angemeldet.

Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktioneller Materialien zu konstruieren, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung stufenlos steuerbarer, ungiftiger Materialien.

„Die Chemie ist das Einzige, was uns in die Quere kommt“, so Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien herstellen, die so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder sind.“

Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.

Proteine haben „reaktive Gruppen“ auf ihrer Oberfläche, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Berührung kommen. Kumar und sein Team nutzten sein Wissen über die Funktionsweise dieser Gruppen, um Proteinmoleküle durch eine chemische Verbindung miteinander zu verknüpfen.

Bei diesem Prozess entsteht ein sogenannter Dimer - ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Anschließend wird das Dimer mit einem anderen Dimer zu einem Tetramer verbunden, und so weiter, bis ein großes 3D-Molekül entsteht. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten aufweisen.

Dank dieser innovativen 3D-Struktur kann sich das neue Polymer wie ein Kunststoff verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form verändern und falten. So kann das Material mit Hilfe der Chemie für eine Vielzahl von spezifischen Anwendungen maßgeschneidert werden.

Da Kumars Material aus Proteinen und einer biologisch verbindenden Chemikalie besteht, kann es im Gegensatz zu synthetischen Polymeren biologisch abgebaut werden, so wie es pflanzliche und tierische Proteine natürlich tun.

„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die Amidbindungen in ihnen aufspaltet“, sagt Kumar. „Sie verfügt über Enzyme, die diese Art von Chemie beherrschen. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Die gleichen Enzyme, die in der Biologie arbeiten, sollten also auch bei diesem Material funktionieren und es auf natürliche Weise abbauen.“

Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material innerhalb weniger Tage in saurer Lösung zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material im Boden vergraben, was das Los vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.

Sie haben gezeigt, dass das Material auf Proteinbasis eine Vielzahl von kunststoffähnlichen Produkten bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung von feuerfesten Dachziegeln oder höherwertigen Materialien wie Autotüren, Raketenspitzen oder Herzklappen verwendet werden.

Die nächsten Schritte für diese Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Flexibilität, sowie ihre Toxizität weiter zu testen.

„Ich denke, wir brauchen ein soziales Bewusstsein dafür, dass wir keine toxischen Substanzen in die Umwelt bringen dürfen“, sagt Kumar. „Das geht einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“

Kumars zweite Technologie beruht auf einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber nicht nur Proteine, sondern solche, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.

„Durch die sich schnell verändernde Modeindustrie entsteht jedes Jahr eine Menge Textilabfall“, sagt Kumar. „Warum sollten wir diese Abfälle nicht nutzen, um nützliche Materialien herzustellen - Abfall in Wohlstand umzuwandeln.“

Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien (Proteios, abgeleitet von den griechischen Originalwörtern) erwartet Kumar, dass die aus Proteinen und Naturfasern hergestellten Verbundmaterialien biologisch abbaubar sind, ohne toxische Abfälle zu produzieren.

Im Labor hat Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Gewebe-Verbundstoffen hergestellt, darunter kleine Schuhe, Tische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Bindemittel für die Proteine dienen, und nicht die Vernetzungschemikalien, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.

Die Querverbindung verleiht dem neuartigen Material die Festigkeit, die es braucht, um dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft sorgt für starke Materialien aus Proteinfasern.

Kumars Team hat zwar bisher nur mit Baumwolle gearbeitet, geht aber davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, jedoch ähnlichen chemischen Eigenschaften wie Baumwolle auch so verhalten würden.

„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Oberfläche des Materials“, sagt Kumar. „Wir nutzten diese Erkenntnis, um zu sagen: 'Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus? Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich."

Mit der Unterstützung von TCS sucht Professor Kumar derzeit nach Industriepartnern, um diese Technologien auf den Markt zu bringen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Michael Invernale unter michael.invernale@uconn.edu.