带 3D 打印的交互式分子模型组件
August 13th, 2020
微观系统的物理建模有助于获得难以通过其他方式获得的见解。为了促进物理分子模型的构建，我们演示了如何使用 3D 打印来组合功能宏观模型，以触觉方式捕获分子系统质量。
3D 打印是一种越来越可用和易于访问的技术。该协议可用于打印和组装物理分子模型，以保持真实分子系统的动态质量。与分子模型的交互性通常仅限于显示连通性。
3D打印可以打开该列车的构象性探索，以及各种尺度的分子运动。在静态手稿中很难传达动作。因此，能够看到模型如何打印、组装和操作是有价值的。
要准备用于 3D 打印的模型文件，请下载所提供的补充立体光刻文件，并将文件上传到具有切片器程序的计算机。将其中一carbon_atom_SP3、氢原子或碳键文件导入切片器程序，如果选项可用，请选择单位的毫米格式。单击主窗口的模型面板中导入，然后从生成的文件浏览器导入氢原子双底和氢原子双顶文件。
要将导入的模型缩放到所需大小，请双击主显示屏中的图形模型以打开模型编辑面板，该面板可启用目标模型的平移、旋转和缩放。要复制模型以生成模型数组，请从"编辑"菜单中选择"重复模型"选项，并在对话框中输入模型零件的数量。单击主窗口的模型面板中的"居中"和"排列"以排列生成平台中心附近的模型，并使用主窗口的"添加"面板为目标打印设置适当的模型处理设置。
然后将模型切片到打印图层以生成 G 代码工具路径，然后单击主窗口中的"准备打印"按钮。要准备打印机进行模型打印，请用蓝色油漆纸胶带涂抹未加热打印机床的表面，并使用胶棒在胶带上涂抹一层薄薄的聚合物。然后，在打印机床上放置通风外壳，以最大限度地减少可能干扰打印退火的气流。
打印后，从打印机床上取下打印件，然后从部件底部取出木筏或边缘结构（如果使用）。用中细砂纸擦擦模型部分的底座，以去除任何剩余的附着木筏细丝。用 120 到 320 carbon_atom_SP3 砂纸对模型部件进行砂磨，以消除任何表面缺陷。
接下来，使用 320 砂纸平滑表面，并使用抛光布将表面抛光到所需的表面。当所有部件都抛光后，根据所需的粘接拓扑，将碳碳键的连接器端和氢原子模型部件插入 carbon_atom_SP3 模型部件上的插座中。将模型部件挤压在一起，直到听到咔嗒声。
连接后，单个键应围绕此连接自由旋转，无需分离，然后根据所需的分子结构组装打印部分的其余部分，用氢原子模型部件填充任何打开的插座，以饱和所有 carbon_atom_SP3 模型部件。对于环状环烷，在模型部件之间使用碳-碳键模型部件carbon_atom_SP3环。以下是构建交互式分子模型所需的部分。
六个碳原子，六个碳碳键，和12个氢原子。由于缺乏新的渗出屏蔽结构，并且缺乏聚合物缩回在有源挤出机之间切换，这些单色氢气打印时间可减少约 50% 至 60%。组装的环氧烷结构在功能上是等价的，即使双挤出机打印看起来适度更精致。
PLA 型号比直接关闭打印机的 ABS 型号更精致。丙酮处理可产生光滑和高光泽光度。请注意，丙酮还可以溶解具有层缺陷的内部支撑结构和模型，从而导致模型崩溃。
组装的环氧烷结构都能够以相同的方式弯曲、扭曲和采用相关的符合性。这些型号中最小的是最容易打印缺陷的，因此此尺寸可能太小，不建议在不调整零件的相对尺寸的情况下使用。虽然打印速度慢，但大型模型在讲座环境中的沟通可能更有效。
由于原子可以相对容易地相对旋转，因此结构可以失真，以捕捉到环氧烷的不同代表性构象体。与分子模拟一样，椅子构象盆受到限制，限制可用运动，而船盆中的结构可以流畅地访问各种船和扭曲船构。准备打印机床对于确保第一层良好的粘附性至关重要。
如果没有此层，打印可能会失败。该协议提供了一个环氧烷模型作为示例，但任何交互式饱和碳氢化合物模型都可以打印和组装与提供的stl文件。
概述
本文演示了使用3D打印技术创建模拟真实分子系统动态特性的交互式分子模型。通过组装这些模型，研究人员可以以可触摸的方式探索分子构型和运动。
关键研究组成部分
科学领域
- 3D打印技术
- 分子建模
- 生物物理学
背景
- 3D打印在科学应用中变得越来越普及。
- 传统的分子模型通常缺乏交互性和动态表示。
- 物理模型可以增强对分子结构和行为的理解。
- 手稿中的静态表示无法有效传达分子运动。
研究目的
- 说明如何使用3D打印创建功能性分子模型。
- 使分子构型和相互作用的探索成为可能。
- 提供准备和组装这些模型的协议。
使用的方法
- 下载并准备立体光刻文件以进行3D打印。
- 使用切片程序调整模型尺寸和设置。
- 使用适当的材料和技术打印模型。
- 组装打印部件以创建交互式分子结构。
主要结果
- 成功打印并组装了环己烷和其他碳氢化合物的模型。
- 模型展示了灵活性和代表各种构型的能力。
- 不同的材料（PLA与ABS）影响了模型的质量和完成度。
- 提供了在其他环境中复制该过程的详细协议。
结论
- 3D打印的分子模型增强了对分子动力学的理解。
- 交互式模型可以在教育和研究环境中有效使用。
- 未来的应用可能包括更广泛的分子系统和结构。
常见问题解答
Executive Industry Relevance
Physical molecular models with dynamic features, enabled by 3D printing, provide tangible tools for interrogating conformational flexibility and spatial relationships in chemical structures. These interactive assemblies support early-stage discovery teams in visualizing and communicating molecular motion, which is critical for hypothesis generation and mechanistic de-risking. The approach enhances portfolio decision-making by bridging the gap between computational models and hands-on structural exploration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates hands-on exploration of conformational space for saturated hydrocarbons.
- Enables visualization of dynamic molecular features relevant to target validation.
- Supports mechanistic de-risking by illustrating accessible conformers and bond rotations.
- Improves predictive confidence in structure-activity hypotheses through physical manipulation.
Screening & Assay Development
- Provides validated physical models for assay design and molecular recognition studies.
- Standardizes representation of molecular connectivity and flexibility for team alignment.
- Enables reproducible assembly and manipulation for training and workflow integration.
- Supports reliable communication of molecular features in cross-functional settings.
Translational & Preclinical Research
- Aligns physical models with computational predictions for translational continuity.
- Facilitates communication of conformational dynamics to preclinical teams.
- Supports risk-adjusted advancement by clarifying structural uncertainties.
- Enhances understanding of molecular motion relevant to disease-relevant systems.
Pipeline & Workflow Integration
3D printed molecular assemblies fit within the discovery-to-preclinical continuum by providing a bridge between in silico modeling and experimental validation.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of conformational flexibility and spatial arrangement.
- Screening: Standardizes physical models for assay development and compound evaluation.
- Analytics: Supports quantitative comparison of conformer accessibility and bond rotation.
- Translational Research: Connects physical and computational insights for preclinical model alignment.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for molecular visualization and team training.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in molecular design.
- Operational Value: Standardizes model assembly and enhances reproducibility across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by clarifying structural hypotheses early.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization through tangible model-based insights.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D printing file preparation and post-processing.
- Needs access to compatible printers and finishing tools for optimal model quality.
- Demands cross-team agreement on model scale and assembly protocols.
- Adaptation may be needed for different molecular systems or scales.
- Small-scale models may be prone to print flaws and require parameter optimization.
