Name: 带 3D 打印的交互式分子模型组件 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 15 s
Description: 了解如何使用3D打印技术制作可交互的分子模型，以环己烷为例展示分子构象动态变化。该方法为生物物理研究和教学提供了直观的物理模型工具。

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本工作获得了美国国家科学基金会（NSF）资助号 CHE-1847583 的支持。

1. 3D打印模型文件的制备
注意：由于3D打印机种类繁多，且存在大量免费和商业打印软件，因此具体操作步骤已超出本文范围。本文提供通用的实验流程和建议，并针对所列软件和3D打印机的代表性型号给出具体考虑因素（见材料表）。对于读者所使用的特定打印机和切片软件组合，应优先遵循制造商提供的专用说明，而非本文的建议。
<ol>
	<li>下载与本文相关的补充性立体光刻文件（.stl）（补充文件 S1‒S5）。将这些文件上传至安装有切片软件的计算机。</li>
	<li>将 C_atom_sp3、H_atom 或 C-C_bond 文件之一导入切片软件中。如果软件提供单位选项，请使用毫米（mm）作为单位格式。在软件中，可单击主窗口 模型 面板中的 导入 按钮，或在 文件 下拉菜单中选择 导入模型 命令，然后在弹出的文件浏览器中选择相应的模型文件。
	<ol>
		<li>若需双喷头打印氢原子模型，请同时导入 H_atom_dual_bottom 和 H_atom_dual_top 文件。将这两个组件模型对齐、组合，并根据目标耗材颜色分配至相应的喷头。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将导入的模型缩放至所需尺寸。为此，可双击主显示区域中的图形模型，或双击主窗口 模型 面板中列出的模型名称，以打开模型编辑面板，从而实现对目标模型的平移、旋转和缩放操作。本文提供了所有连接部件在 50%、100%、200% 和 320% 比例下的代表性模型示例。
	<ol>
		<li>对于缩放比例大于 100% 的 C_atom_sp3 模型，需启用支撑结构。其他所有模型可使用支撑结构，但通常并非必需。</li>
		<li>对于 100% 及更小比例的模型，建议启用筏形基底（raft）或裙边（brim）结构。对于大多数较大尺寸的模型，由于其平坦底面与打印平台接触面积足够，通常无需此类结构即可稳固附着。筏形结构有助于提高 3D 打印首层的附着效果，因此若在任何尺寸下首层打印稳定性存在问题，启用筏形结构可能提升打印成功率，但会增加筏形结构所需的材料消耗。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过从 编辑 菜单中选择 复制模型 选项，并在弹出的对话框中输入所需模型数量，以生成所需数量的模型阵列。可通过单击主窗口 模型 面板中的 居中并排列 按钮，或在 编辑 下拉菜单中选择 居中并排列 选项，将模型尽可能排列在构建平台中心位置。 
	注：参见 图1，其中展示了使用聚乳酸（PLA）打印的六个 C_atom_sp3 模型的排列示例。为确保安全，建议每次仅打印单个部件；但若同时打印多个同色小部件，通常可提高时间效率。阵列打印的部件质量往往较低，原因是模型之间需要更多的耗材回抽点。此外，阵列打印失败的可能性更高，因为在打印过程中若有一个部件脱落，可能干扰其他部件的正常打印。</li>
</ol>
<img alt="载玻片上带有微球的显微镜样品制备，35 mm 比例尺，静态平衡装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：相同颜色的原子或化学键可打印为阵列形式。为在略微牺牲质量的前提下提高打印效率，相同颜色的部件可方便地以阵列形式进行打印。此处，六个PLA碳原子被一同打印，每个原子均位于小型筏式结构上，并带有轮廓边缘结构。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="5">
	<li>为目标打印件设置适当的模型处理参数 添加 或 编辑流程设置 来自 过程 主窗口的面板。 
	注意：添加新工艺或通过分别点击编辑工艺时，所使用的软件针对 PLA、ABS 及其他可用的热塑性塑料具有可选的默认处理设置 添加 或 编辑流程设置 来自 过程 主窗口的面板。针对所提供的分子模型部分的具体调整及其原理如下。
	<ol>
		<li>将模型填充率设置在15%至25%之间。这样可以减少耗材使用量，使部件更轻，但最终组装的结构仍具有足够的强度以承受物理操作。</li>
		<li>如有可能或需要提高连接片的耐用性，应为碳-碳键（C-C_bond）和氢原子（H_atom）模型部件的连接区域使用100%的填充设置。</li>
		<li>选择0.2 mm或更小的打印层厚以保持打印细节。</li>
		<li>设置 第一层速度 25%至50%之间 层 工艺设置中的选项卡。缓慢打印第一层可增强与打印平台的粘附性，从而提高整体3D打印的成功率。</li>
		<li>将打印机挤出机和打印平台的温度设置为所选打印耗材材料推荐的数值。所提供的温度值仅为起始点建议。
		<ol>
			<li>对于 PLA，设置挤出机 = 215 °C；床 = 无加热。</li>
			<li>对于对苯二甲酸乙二醇改性聚乙烯（PETG）套装，设置挤出机 = 235 °C，以及 Bed = 80 °C.</li>
			<li>对于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），设定挤出机 = 245 °C 和 Bed = 110 °C.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>对于 C_atom_sp3 模型部件，使用两个轮廓/外周壳层，并设置“由外向内”的轮廓方向，以最小化球体底部的打印变形。这些选项可在以下位置找到： 层 的标签 工艺设置 窗口。对于所有其他部分，建议采用“由内向外”的轮廓方向，以获得更清洁的表面光洁度。</li>
		<li>如果进行对齐的 H_atom_dual_bottom 和 H_atom_dual_top 模型的双挤出打印，可选择开启 渗出防护罩 选项。切片软件随后会在模型周围生成一个薄壁结构，用于承接非工作但仍处于高温状态的挤出头滴漏的聚合物。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将模型切片为打印层以生成G代码刀具路径。单击 准备打印！ 主窗口上的按钮，或选择 准备打印 选项位于下方 编辑 下拉菜单</li>
</ol>
2. 打印零件前的打印机准备
<ol>
	<li>对于未加热的打印平台，使用蓝色美纹纸覆盖平台表面；对于加热的打印平台，先使用聚酰亚胺胶带作为底层，再覆盖蓝色美纹纸。</li>
	<li>在蓝色美纹纸上涂抹一层薄薄的固体胶。固体胶中的聚合物可增强打印件与平台表面的附着力。</li>
	<li>在打印平台上放置或关闭通风外壳。外壳可减少气流干扰，避免影响打印件的退火过程。
	<ol>
		<li>打印 PLA 时，应打开全部或尽可能多的通风孔，以实现快速冷却；如条件允许，打印过程中开启平台风扇。</li>
		<li>打印 PETG 时，仅打开少量通风孔，以实现较缓慢的冷却；打印过程中无需开启平台风扇。</li>
		<li>打印 ABS 时，应尽量减少通风孔的开启数量，以实现极缓慢的冷却；打印过程中关闭平台风扇。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>打印机准备就绪后，点击“通过 USB 开始打印”按钮，将 G 代码发送至连接的打印机，启动打印过程。</li>
</ol>
3. 模型结构的完成与组装
<ol>
	<li>从打印机平台取下部件。对于使用加热平台打印的模型，需等待平台冷却后再取下部件，以避免在分离过程中导致模型变形。</li>
	<li>如果使用了底筏（raft）或边缘加强结构（brim），需从部件底部将其去除。使用中等至细粒度的砂纸摩擦模型底部，以清除残留附着的底筏丝材。</li>
	<li>使用中等粒度（120目）至极细粒度（320目）砂纸打磨 C_atom_sp3 模型部件的底部，以去除表面缺陷。再用极细粒度砂纸进一步平滑表面。最后使用抛光布或抛光轮在低转速下对表面进行抛光，直至达到所需的表面光洁度。 
	注意：例如，可使用转速设定为10,000 rpm、配备直径0.5英寸抛光轮的Dremel工具进行抛光，操作时应注意避免过度加热打印件而导致表面缺陷。
	<ol>
		<li>PLA：打印完成后，制品通常具有轻微的光泽表面，如图2各图所示。粗糙打磨会破坏该光泽，但可通过抛光恢复原有的光泽表面。</li>
		<li>PETG：制品通常也具有轻微光泽表面，与PLA类似，可通过打磨和抛光进行修复和恢复。</li>
		<li>ABS：打印完成后，制品表面通常呈哑光或仅有轻微光泽（图3A）。可通过将部件单独浸入丙酮浴中1‒2秒，然后置于通风处，待丙酮完全挥发且表面重新固化（通常需12‒24小时），即可获得高光泽表面（图3B）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
警告：丙酮具有易燃性，应在通风橱或通风良好的区域少量使用。丙酮可溶解ABS材料，因此因退火不良而存在分层缺陷的部件不得用液态丙酮处理。丙酮会通过此类缺陷渗入模型内部，溶解模型的填充结构（图3C）。使用丙酮蒸气进行抛光是一种较慢的过程，但可达到类似效果，不过鉴于丙酮的易燃性，仍需采取适当的安全防护措施。
<img alt="分子模型构建；显示组分 A、B、C 的示意图；分子结构的组装。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：双喷嘴打印可实现更佳的视觉效果。（A）双喷嘴打印的氢原子模型在视觉上比（B）全白色模型的氢原子打印更协调。当连接在一起形成完整的环己烷环时，组装的 PLA 模型在功能上完全相同。（C）<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="分子结构模型，用于化学键和几何分析的3D打印表示。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：ABS模型可通过化学处理获得光泽表面。（A）ABS模型打印件通常呈现较为弥散或哑光的外观，但（B）在丙酮中短暂浸泡进行化学处理后，其表面可获得高光泽效果。（C）若丙酮通过层间分离缺陷进入打印件内部，将从内到外溶解模型，导致其坍塌。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="4">
	<li>根据所需的成键拓扑结构，将 C-C_bond 和 H_atom 模型部件的连接端插入 C_atom_sp3 模型部件的插孔中。用力将模型部件压合，直至听到明显的咔嗒声。连接完成后，单键应能围绕该连接点自由旋转，而不会松脱。 
	注意：连接配合较紧，因此对于尺寸放大比例超过 100% 的模型，可能需要施加较大的力。所提供的部件在连接后不建议分离，但可通过施加极大的外力实现拆分。连接键的自由旋转是所提供部件和模型的预期特性。若需限制旋转，则需要使用具有固定结构的原子模型（例如 sp² 杂化的碳原子），其连接插孔内含有可插入键模型末端凸片间隙的结构，以实现锁定。</li>
	<li>按照目标分子结构组装所有打印部件。通过在 C_atom_sp3 模型部件的任何未占用插孔中插入 H_atom 模型部件，使其达到饱和状态。对于环状结构（如环己烷），使用 C-C_bond 模型部件连接 C_atom_sp3 模型部件以闭环成环。</li>
</ol>

<ol><li>Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+proteins%3A+Two+hydrogen-bonded+helical+configurations+of+the+polypeptide+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 37 (4), 205-211 (1951).</li>
<li>Claussen, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suggested+Structures+of+Water+in+Inert+Gas+Hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Suggested Structures of Water in Inert Gas Hydrates.</a> The Journal of Chemical Physics. 19 (2), 259-260 (1951).</li>
<li>Claussen, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Second+Water+Structure+for+Inert+Gas+Hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">A Second Water Structure for Inert Gas Hydrates.</a> The Journal of Chemical Physics. 19 (11), 1425-1426 (1951).</li>
<li>Watson, J. D., Crick, F. H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+Structure+of+Nucleic+Acids%3A+A+Structure+for+Deoxyribose+Nucleic+Acid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.</a> Nature. 171 (4356), 737-738 (1953).</li>
<li>Watson, J. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWatson%2C+JD+%22The+double+helix%3A+a+personal+account+of+the+discovery+of+the+structure+of+DNA%22">The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA</a>. , Weidenfeld and Nicolson. (1981).</li>
<li>Cademartiri, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+two-dimensional+model+system+to+study+electrostatic-self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">A simple two-dimensional model system to study electrostatic-self-assembly.</a> Soft Matter. 8 (38), 9771-9791 (2012).</li>
<li>Reches, M., Snyder, P. W., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Folding+of+electrostatically+charged+beads-on-a-string+as+an+experimental+realization+of+a+theoretical+model+in+polymer+science%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Folding of electrostatically charged beads-on-a-string as an experimental realization of a theoretical model in polymer science.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (42), 17644-17649 (2009).</li>
<li>Tricard, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analog+modeling+of+Worm-Like+Chain+molecules+using+macroscopic+beads-on-a-string%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Chemistry+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Analog modeling of Worm-Like Chain molecules using macroscopic beads-on-a-string.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (25), 9041-9046 (2012).</li>
<li>Tricard, S., Stan, C. A., Shakhnovich, E. I., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+macroscopic+device+described+by+a+Boltzmann-like+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">A macroscopic device described by a Boltzmann-like distribution.</a> Soft Matter. 9 (17), 4480-4488 (2013).</li>
<li>Capel, A. J., Rimington, R. P., Lewis, M. P., Christie, S. D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+for+chemical%2C+pharmaceutical+and+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Chemistry%22%5BJournal%5D)">3D printing for chemical, pharmaceutical and biological applications.</a> Nature Reviews Chemistry. 2 (12), 422-436 (2018).</li>
<li>Jones, O. A. H., Spencer, M. J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Simplified+Method+for+the+3D+Printing+of+Molecular+Models+for+Chemical+Education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">A Simplified Method for the 3D Printing of Molecular Models for Chemical Education.</a> Journal of Chemical Education. 95 (1), 88-96 (2018).</li>
<li>Paukstelis, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MolPrint3D%3A+Enhanced+3D+Printing+of+Ball-and-Stick+Molecular+Models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">MolPrint3D: Enhanced 3D Printing of Ball-and-Stick Molecular Models.</a> Journal of Chemical Education. 95 (1), 169-172 (2018).</li>
<li>Pinger, C. W., Geiger, M. K., Spence, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+3D-Printing+for+Improving+Chemistry+Education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Applications of 3D-Printing for Improving Chemistry Education.</a> Journal of Chemical Education. 97 (1), 112-117 (2020).</li>
<li>Robertson, M. J., Jorgensen, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Illustrating+Concepts+in+Physical+Organic+Chemistry+with+3D+Printed+Orbitals%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Illustrating Concepts in Physical Organic Chemistry with 3D Printed Orbitals.</a> Journal of Chemical Education. 92 (12), 2113-2116 (2015).</li>
<li>Au - Da Veiga Beltrame, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Biomolecular+Models+for+Research+and+Pedagogy%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy.</a> JoVE. (121), e55427(2017).</li>
<li>Fourches, D., Feducia, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Student-Guided+Three-Dimensional+Printing+Activity+in+Large+Lecture+Courses%3A+A+Practical+Guideline%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Student-Guided Three-Dimensional Printing Activity in Large Lecture Courses: A Practical Guideline.</a> Journal of Chemical Education. 96 (2), 291-295 (2019).</li>
<li>Rossi, S., Benaglia, M., Brenna, D., Porta, R., Orlandi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+Dimensional+%283D%29+Printing%3A+A+Straightforward%2C+User-Friendly+Protocol+To+Convert+Virtual+Chemical+Models+to+Real-Life+Objects%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three Dimensional (3D) Printing: A Straightforward, User-Friendly Protocol To Convert Virtual Chemical Models to Real-Life Objects.</a> Journal of Chemical Education. 92 (8), 1398-1401 (2015).</li>
<li>Griffith, K. M., Cataldo, R. d, Fogarty, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do-It-Yourself%3A+3D+Models+of+Hydrogenic+Orbitals+through+3D+Printing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Do-It-Yourself: 3D Models of Hydrogenic Orbitals through 3D Printing.</a> Journal of Chemical Education. 93 (9), 1586-1590 (2016).</li>
<li>Carroll, F. A., Blauch, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Molecular+Models+with+Calculated+Geometries+and+p+Orbital+Isosurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Molecular Models with Calculated Geometries and p Orbital Isosurfaces.</a> Journal of Chemical Education. 94 (7), 886-891 (2017).</li>
<li>Van Wieren, K., Tailor, H. N., Scalfani, V. F., Merbouh, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Access+to+Multicolor+Three-Dimensional+Printed+Chemistry+and+Biochemistry+Models+Using+Visualization+and+Three-Dimensional+Printing+Software+Programs%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Rapid Access to Multicolor Three-Dimensional Printed Chemistry and Biochemistry Models Using Visualization and Three-Dimensional Printing Software Programs.</a> Journal of Chemical Education. 94 (7), 964-969 (2017).</li>
<li>Carroll, F. A., Blauch, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+the+Force%3A+Three-Dimensional+Printing+a+%CF%80-Bonding+Model+with+Embedded+Magnets%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Using the Force: Three-Dimensional Printing a π-Bonding Model with Embedded Magnets.</a> Journal of Chemical Education. 95 (9), 1607-1611 (2018).</li>
<li>The NIH 3D Print Exchange. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+NIH+3D+Print+Exchange%3A+A+Public+Resource+for+Bioscientific+and+Biomedical+3D+Prints%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+and+Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">The NIH 3D Print Exchange: A Public Resource for Bioscientific and Biomedical 3D Prints.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (3), 137-140 (2014).</li>
<li>Penny, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+of+a+Scalable+Molecular+Model+and+Orbital+Kit+for+Organic+Chemistry+Teaching+and+Learning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing of a Scalable Molecular Model and Orbital Kit for Organic Chemistry Teaching and Learning.</a> Journal of Chemical Education. 94 (9), 1265-1271 (2017).</li>
<li>Nelson, D. J., Brammer, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+Consistent+Terminology+for+Cyclohexane+Conformers+in+Introductory+Organic+Chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Toward Consistent Terminology for Cyclohexane Conformers in Introductory Organic Chemistry.</a> Journal of Chemical Education. 88 (3), 292-294 (2011).</li>
<li>Anet, F. A. L., Bourn, A. J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+Magnetic+Resonance+Line-Shape+and+Double-Resonance+Studies+of+Ring+Inversion+in+Cyclohexane-d11%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Nuclear Magnetic Resonance Line-Shape and Double-Resonance Studies of Ring Inversion in Cyclohexane-d11.</a> Journal of the American Chemical Society. 89 (4), 760-768 (1967).</li>
<li>Mayes, H. B., Broadbelt, L. J., Beckham, G. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+Sugars+Pucker%3A+Electronic+Structure+Calculations+Map+the+Kinetic+Landscape+of+Five+Biologically+Paramount+Monosaccharides+and+Their+Implications+for+Enzymatic+Catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">How Sugars Pucker: Electronic Structure Calculations Map the Kinetic Landscape of Five Biologically Paramount Monosaccharides and Their Implications for Enzymatic Catalysis.</a> Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 1008-1022 (2014).</li>
<li>Satoh, H., Manabe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+chemical+glycosyl+donors%3A+does+changing+ring+conformation+influence+selectivity%2Freactivity%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Design of chemical glycosyl donors: does changing ring conformation influence selectivity/reactivity.</a> Chemical Society Reviews. 42 (10), 4297-4309 (2013).</li>
<li>Allinger, N. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conformational+analysis.+130.+MM2.+A+hydrocarbon+force+field+utilizing+V1+and+V2+torsional+terms%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms.</a> Journal of the American Chemical Society. 99 (25), 8127-8134 (1977).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Gaussian+09+v.Revision+C.01%22">Gaussian 09 v.Revision C.01</a>. , Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2010).</li>
<li>Abraham, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GROMACS%3A+High+performance+molecular+simulations+through+multi-level+parallelism+from+laptops+to+supercomputers%5BTitle%5D)+AND+%22SoftwareX%22%5BJournal%5D)">GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers.</a> SoftwareX. 1-2, 19-25 (2015).</li>
<li>Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+testing+of+a+general+amber+force+field%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Development and testing of a general amber force field.</a> Journal of Computational Chemistry. 25 (9), 1157-1174 (2004).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本研究的主要目的是报告一种利用普通3D打印机制造动态分子模型的实验方案。这些3D打印机正变得越来越普及，通常在图书馆、学校及其他场所甚至可以免费使用。入门阶段需要对所要打印的模型和所使用的材料做出选择，而从这些选项中进行决策可能需要一些关于增材制造在科研与教学中所能发挥的创造性作用的启发。为解决这些问题，我们提供了一些实用的材料建议、推荐的模型组件、一份3D打印操作流程以及一个应用示例，每一项内容都值得进一步讨论。
用于3D打印的热塑性塑料有多种选择。本方案重点介绍其中三种材料，因为这三种材料目前在DIY 3D打印中最为普及。具体选择可能取决于现有3D打印机所支持的材料类型；例如，许多开放使用的设施仅支持使用PLA进行打印，这是出于环境因素的限制。PLA是一种可生物降解且可堆肥的材料，其打印过程所需的温度条件较为温和。ABS和PETG的环境友好性较差，通常不可回收，但PETG基于高度可回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），未来或许能像PET一样实现更广泛的再加工利用。可持续的打印实践应包括每次打印少量部件，以确保打印质量和成功率，同时尽可能减少废弃材料（如支撑结构、底板、溢料挡板等）的使用。PLA可能较脆，因此在条件允许的情况下，使用ABS和PETG热塑性塑料可分别获得机械韧性更强、层间粘附性更优的打印成品。这些特性对于需要在实验室或课堂环境中频繁操作的交互式分子模型而言可能是理想的选择。
本文所展示的模型已将上述因素纳入考虑，但其首要设计目标是协同工作，以实现动态分子模型的构建。在默认比例下，这些模型能够成功组装成可交互的分子结构。它们也可轻松放大为大型模型，尽管在尺寸增大后，连接插销更难变形，因此组装时需要更大的力。在缩小组件时，将尺寸减小50%仍可正常工作，但需进行少量调整，例如将碳原子模型缩小至48%–49%，同时保持化学键和氢原子为50%，以便在PLA打印中实现部件之间更紧密的连接。此类小型模型更为脆弱，打印时通常需要加装筏板结构才能成功，但它们仍可作为功能完整的动态分子模型使用。
热塑性材料和选定的打印模型是3D打印方案中两个最关键的方面。所选择的热塑性材料将决定打印过程中的温度、附着力、退火以及后处理等方面的考虑与选项。如果可用的3D打印机没有加热平台，则在所提供的热塑性材料选项中，只有PLA能够稳定地打印出可重复的部件。尽管所提供的部件设计为可使用不同热塑性材料进行可重复打印，并能承受动态操作，但在使用过程中打印件会逐渐磨损，并在承受持续增加的应力时出现开裂，通常发生在打印层之间。在这种情况下，重新打印并更换部件既简便又相对经济。
由所提供模型打印出的分子组装体所展现的动态功能，使本研究不同于其他现有的、可进行3D打印的分子模型，后者主要突出分子间的连接方式和键合类型。这种动态特性在环己烷结构示例中得到了部分体现。通过这些模型，可直接用手操作来探索环己烷的构型空间，其构型空间的拓扑特征总体上与计算研究结果一致。这在很大程度上得益于这些物理模型组件对分子几何结构细节及自由度的准确还原。在莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）对其成功解析 α-螺旋1他们声称，他们的同代人面临着源于理想化整体假设以及采纳这些假设时所带来的困难 &#34;……仅粗略地近似了我们对较简单物质研究所得的关于原子间距离、键角以及共轭酰胺基团平面性的要求。&#34; 沿这些方向获得更定量的洞察需要比构建这些模型部件时所考虑的更为具体的细节，但这些模型和建议为分子系统的通用交互式物理研究提供了基础。这些模型是我们多年来为科研和科普活动所开发的可3D打印模型套件的延伸，在本报告发表之前已持续改进数年；作者可提供与这些模型及所述方案均兼容的额外组件，以实现更多样化的成键构型和动态操作。

分子结构构建长期以来一直是发现和验证我们对分子形状及其相互作用理解的关键环节。物理模型构建在确定蛋白质的α-螺旋结构（由Pauling等人提出）1、水的主要笼形水合物结构2,3以及Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构4的过程中起到了重要的推动作用。在James Watson关于DNA结构的出版记述中，他详细描述了此类模型构建过程中遇到的诸多困难，例如用铜丝缠绕模型碳原子以构成磷原子、原子结构的悬吊极为脆弱易损，以及在等待机加工车间提供锡制碱基模型的同时，不得不自行制作纸板碱基模型5。这些模型构建中的困难在很大程度上已通过计算建模得以解决，计算建模或补充或完全取代了物理方法；尽管如此，物理模型在化学教育与实验中仍具有不可或缺的作用6,7,8,9。
自2010年左右以来，3D打印作为创意设计和制造工具的采用率显著增长。这一发展得益于多家新兴公司致力于该技术的广泛商业化，推动了多种熔融沉积成型（FDM）打印机之间的竞争与普及。随着可及性不断提高，这些技术在化学教育和实验教学环境中的应用也同步增长10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21。在此期间，商业性及开放社区的3D模型资源库（如美国国立卫生研究院3D打印交换平台22）使3D打印模型系统变得更加易于获取，但这些模型大多集中于特定目标分子，仅提供强调键连关系和键类型的简单静态结构。更具通用性的原子和分子基团可支持更富创造性的构建12,23，而目前仍亟需能够实现通用结构构建、并提供触觉、动态及力敏感反馈的分子结构模型。
本文介绍了一种可直接打印并组装成饱和烃动态分子模型的分子模型结构组件。这些组件结构是我们为实验室和大学开发的扩展与推广活动套件的一部分。所设计的部件可使用多种聚合物线材，在常见的FDM 3D打印机上进行打印。我们展示了使用单挤出头和双挤出头FDM打印机，结合不同聚合物材料及后处理技术所获得的模型效果。这些组件具有可缩放性，适用于个人研究以及大型讲座环境中的演示应用。
本报告的主要目的是帮助其他研究人员和教育工作者通过3D打印，以更直观的方式转化化学结构细节与知识。为此，我们通过在不同尺度下组装和操控环己烷，展示了一个具体的应用实例。六元环体系的构象是基础有机化学课程中的核心内容24，这些构象对环状结构和糖类结构的反应性具有重要影响25,26,27。所打印的模型能够灵活地呈现关键的环状构象24，并通过手动直接探索和定性评估环结构相互转化过程所需的力。

<table><tbody><tr><td>ABS：黑色 1.75 mm 丝材卷，1 kg</td><td>MakerBot</td><td>MP01969</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>ABS：深灰色 1.75 mm 丝材卷，1 kg</td><td>Amazon</td><td>B07T6W8TRF</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>ABS：白色 1.75 mm 丝材卷，1 kg</td><td>Hatchbox</td><td>B00J0H6NNM</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>Crown 丙酮，1 加仑</td><td>Crown</td><td>206539</td><td>从五金商店（Lowes）获取。</td></tr><tr><td>MakerGear M2</td><td>MakerGear</td><td></td><td>该打印机比在 Amazon 或其他网站上可购买到的低成本 FDM 打印机更昂贵，但其设计可实现更稳定一致的性能。</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Dual</td><td>MakerGear</td><td></td><td>该型号打印机已不再销售，已被配备独立双挤出机的新型号所取代。</td></tr><tr><td>3M 多表面 1.88 英寸 painter 胶带</td><td>3M</td><td>116480</td><td>从五金商店（Lowes）获取。</td></tr><tr><td>PETG：粉色 1.75 mm 丝材卷，1 kg</td><td>Amazon</td><td></td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。该公司目前已不再提供该产品。</td></tr><tr><td>PETG：白色 1.75 mm 丝材卷，1 kg</td><td>Amazon</td><td></td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。该公司目前已不再提供该产品。</td></tr><tr><td>PLA：黑色 1.75 mm 丝材卷，2 磅</td><td>MakerBot</td><td>MP05775</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>PLA：冷灰色 1.75 mm 丝材卷，2 磅</td><td>MakerBot</td><td>MP05784</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>PLA：白色 1.75 mm 丝材卷，2 磅</td><td>MakerBot</td><td>MP05780</td><td>通过经销商（B&amp;H 和/或 Amazon）获取。</td></tr><tr><td>POLYIMIDE 胶带（2&quot; 卷）</td><td>MakerGear</td><td></td><td>由 MakerGear 随打印机提供，也可从多种渠道获取。</td></tr><tr><td>Simplify3D</td><td>Simplify3D</td><td></td><td>用于打印的切片软件。该软件可直接从该公司购买，也可通过 MakerGear 及其他 3D 打印机制造商购买。</td></tr></tbody></table>

利用3d打印进行互动式分子模型组装

Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing

随着3D打印技术的普及，增材制造工艺在化学实验室和化学教育中的应用日益广泛，兴趣也不断增长。在分子体系物理建模长期而成功的传统基础上，我们展示了一系列精选模型，并提供了一套协议，以促进能够超越分子形状与连接性表达的分子结构3D打印。按所述方式组装的模型将动态特性与自由度引入饱和烃结构中。以环己烷为例，该模型由采用不同热塑性材料打印并后处理的部件组装而成，所得模型在多种尺度下均保持其功能特性。最终构建的结构展现出与理论计算和文献报道一致的构型空间可及性，这些结构的不同版本可作为教学辅助工具，用于阐释其他方式难以表达的概念。本实践使我们能够评估成功的打印方案，提出切实可行的组装建议，并阐明分子体系物理建模的设计原则。所提供的结构、操作流程与结果为个人自主制造与探索分子结构及动力学特性奠定了基础。

本方案提供了多种可用于构建交互式分子模型的潜在选择。作为使用这些模型组件构建分子组装体的一个基础且统一的示例，我们选择在不同尺度上组装环己烷的交互式结构。图2展示了构建该结构所需的组件：6个碳原子、6条碳-碳键和12个氢原子。这些特定的打印部件使用材料表中列出的两种打印机分别制作而成。成本较高的双喷嘴打印机可制造双色组件；例如，在键的中点处发生颜色变化的双色氢原子结构（图2A）。而图2B中的单色氢原子由于无需防渗漏屏蔽结构，且在切换活动喷嘴时无需进行聚合物回抽，因此打印时间大约减少50‒60%。组装完成的环己烷结构（图2C）在功能上是等效的，尽管双喷嘴打印机打印的部件通常外观略显精致。
PLA 模型在 图2 具有相对良好的表面光洁度，比直接从打印机输出的ABS模型更为精细图3A）。使用丙酮对ABS模型进行化学处理，可获得光滑且高光泽的表面，几乎使表面呈现出湿润的外观（图3B）。这种后处理可能会带来问题，特别是当ABS模型未充分退火时。使用ABS打印的大型模型容易出现层间分离缺陷。当上一层材料在挤出头移动至该区域打印下一层之前已冷却，就会发生层间分离缺陷。对于大型ABS打印件而言，至关重要的是打印机加热平台周围的环境必须保持均匀且温暖的温度，以减缓冷却速率。如果将存在层间缺陷的打印件浸入丙酮中，丙酮会渗入模型内部并溶解其内部支撑结构，从而导致模型从内部坍塌，如图所示 图 3C.
模型结构的功能性优先于其外观的视觉差异。连接件的设计旨在实现单键的自由旋转。为测试其在不同体系中的实用性，打印了四组不同尺寸的部件，碳原子直径分别为17.5 mm、35 mm、70 mm和112 mm。组装后的环己烷结构（图4所有这些模型均能以相同的方式进行弯曲、扭曲并采用相应的构象体。其中最小的模型最容易出现打印缺陷，表明该尺寸可能过小，除非调整部件的相对大小，否则不建议使用。较小模型的主要优势之一是打印速度快。六个最小的碳原子模型打印耗时约2小时，而单个最大尺寸的碳原子模型则需要10小时。尽管大型模型打印速度较慢，但在讲座环境中可能更有效，因为从小尺寸结构在远距离观察时难以看清其运动情况。
<img alt="分子结构模型，球棍模型，有机化学可视化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 4"> 
图 4：模型在多种尺度下均具有功能性。为说明模型如何根据不同用途进行打印，此处将环己烷模型以四种不同尺度组装，所有尺度的模型均保持相同的功能性。其中最大模型的碳原子直径超过垒球（112 mm），而最小模型组装后的环己烷整体可容纳于一个垒球之内。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
动态性是将这些结构与其他可打印的分子模型区分开的关键特征之一。由于原子之间可以相对自由地旋转，这些结构能够被扭曲并快速转变为环己烷的不同典型构象体。图5展示了椅式构象、船式构象以及它们各自构型空间之间相互转化的过渡态结构。该过渡态具有四个近似共平面排列的碳原子24,28，与采用B3LYP/6-311+G(2d,p)方法计算所得的过渡态结构一致29。沿着该过渡态的虚频振动方向，轻微地将碳2向上扭转、碳3向下扭转，即可使模型迅速进入船式构象；而轻微地将碳2向下扭转、碳3向上扭转，则可使结构恢复至椅式构象。
<img alt="环己烷构象异构体：椅式、半椅式过渡态、船式。分子结构模型。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：环己烷的构象异构体完全可实现。 由于原子可绕其化学键旋转，模型可采取空间位阻锁定的椅式构象，以及构象自由度更高的船式构象。这两种构象之间的过渡态包含环中四个几乎共平面的碳原子。将2号碳轻微向上扭转、3号碳向下扭转，可使模型转变为船式构象；而将2号碳向下扭转、3号碳向上扭转，则可使模型恢复为椅式构象。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
状态点自由能估计（补充表 S1) 来自优化态点的 B3LYP/6-311+G(2d,p) 计算结果补充文件 S6‒S9) 扭船式与船式构象体之间的能隙为 0.8 kcal/mol，接近 298.15 K 下的热能，表明两者之间的相互转化应几乎可以自由发生。而椅式构象体与构象互变过渡态之间的能隙超过该数值的十倍，表明相比之下椅式构象应处于构象锁定状态。这一点在图中得到说明。 图6，该图显示了在气相分子动力学计算过程中，当每个碳原子相对于环平面的位置在纬度方向上投影到球面上时，估计的平均构象体能量30,31在左侧的椅式构象中，当碳原子偏离环平面而位于其上方或下方时，能量较低；但若碳原子向环平面方向位移以与之对齐，能量则急剧升高。在船式构象中，当碳原子处于环平面内时（即扭船式状态），构象能量相对较低，而位移程度更大的船式构象其能量也并未显著升高。这些构象能景可通过3D打印的环己烷模型进行探索：椅式构象仅能发生局部振动，而船式构象则可从一对相对的碳原子平滑地波动至下一对相对碳原子。
<img alt="分子结合示意图；显示化学环境模拟中的相互作用变化。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig06.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6：模型行为与计算结果一致。 在椅式和船式构象状态下，分子动力学计算过程中环平面周围碳原子的纬向位移可以投影到一个包围球体的表面上。尽管椅式构象能量最低、最为稳定，但它处于锁定状态，只能通过一个高能过渡态才能转变为反式构象。计算结果和实体模型的柔韧性均表明，在298.15 K时，船式与扭船式构象之间的能量差接近1 kBT，使得该构象下的碳原子几乎可以自由地发生纬向位移。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充表 S1：状态点自由能估计值。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/Table_S1.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
补充文件 1。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S1_C_atom_sp3.stl" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 2。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S2_C-C_bond.stl" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 3。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S3_H_atom.stl" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 4。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S4_H_atom_dual_bottom.stl" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 5。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S5_H_atom_dual_top.stl" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 6. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S6_Chair_B3LYP.pdb" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 7。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S7_Boat_B3LYP.pdb" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 8. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S8_TwistBoat_B3LYP.pdb" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 9。 <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S9_TransitionState_B3LYP.pdb" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

微观系统的物理建模有助于获得通过其他方法难以获取的认知。为了促进物理分子模型的构建，我们展示了如何利用3D打印技术组装具有功能性的宏观模型，以触觉方式呈现分子系统的特性。

利用3D打印进行互动式分子模型组装

随着3D打印可及性的提高，化学领域对增材制造工艺的应用和兴趣也在不断增长……

3D打印是一项日益普及且易于获取的技术。本方案可用于打印和组装能够保留真实分子系统动态特性的物理分子模型。对分子模型的交互通常仅限于展示原子间的连接关系。3D打印可以推动对这类体系构象的探索，以及在多种尺度下对分子运动的研究。在静态的论文中很难传达分子的运动状态，因此能够观察模型如何被打印、组装和操作显得尤为有价值。为准备用于3D打印的模型文件，请下载提供的补充性立体光刻文件，并将这些文件上传至安装有切片软件的计算机。在切片软件中导入碳原子_SP3、氢原子或碳-碳键文件中的任意一个，并在选项可用时选择以毫米为单位的格式。在主窗口的模型面板中点击“导入”，然后在弹出的文件浏览器中导入氢原子双底面和氢原子双顶面文件。为了将导入的模型缩放至所需尺寸，可在主显示界面中双击该图形模型，打开一个模型编辑面板，从而实现对目标模型的平移、旋转和缩放操作。若需复制模型以生成模型阵列，请从“编辑”菜单中选择“复制模型”选项，并在弹出的对话框中输入模型部件的数量。在主窗口的模型面板中点击“居中并排列”，将模型排列至构建平台中心附近，然后在主窗口的工艺面板中使用“添加”功能，为目标打印设置适当的模型加工参数。然后将模型切分为打印层以生成 G 代码刀具路径，并在主窗口中点击“准备打印”按钮。为准备打印机进行模型打印，需在未加热的打印平台表面贴上蓝色美纹纸，并使用胶棒在美纹纸上均匀涂抹一层薄薄的聚合物。随后在打印平台周围安装带通风口的封闭罩，以减少可能干扰打印件退火过程的气流。打印完成后，从打印机平台取下打印件，并移除零件底部的筏板或边缘结构（如果使用了这些结构）。使用中等至细粒度的砂纸打磨模型部件的底面，以去除任何残留的附着筏丝。使用120至320粒度的砂纸打磨carbon_atom_SP3模型部件的底面，以消除任何表面缺陷。接下来，使用320目砂纸打磨表面，并用抛光布将表面抛光至所需光洁度。当所有部件均完成抛光后，根据所需的成键拓扑结构，将碳-碳键和氢原子模型部件的连接端插入碳_atom_SP3模型部件上的插孔中。用力将模型部件压合，直至听到明显的咔嗒声。连接后，单键应能围绕该连接自由旋转而不分离，然后根据所需的分子结构组装其余打印部件，并用氢原子模型部件填充所有未连接的插槽，以使所有碳原子_SP3模型部件达到饱和。对于环状的环己烷，使用碳-碳键模型部件连接碳原子_SP3模型部件以形成环状结构。以下是构建交互式分子模型所需的部件。六个碳原子、六条碳-碳键和十二个氢原子。由于无需生成新的渗出防护结构，且在切换活动挤出头时不会发生聚合物回抽，这些单色氢原子的打印时间大约缩短了50%至60%。组装后的环己烷结构在功能上是等效的，即使双挤出头打印的结构外观上通常显得略微更精细一些。与直接从打印机打印出的ABS模型相比，PLA模型的表面相对更精细。丙酮处理可使模型表面变得光滑并具有高光泽度。但需要注意的是，丙酮也可能溶解内部支撑结构以及存在层间缺陷的模型，从而导致模型坍塌。组装的环己烷结构均能够以相同的方式进行弯曲、扭曲并采取相应的构象体。在这些模型中，最小的模型最容易出现打印缺陷，因此该尺寸可能过小，除非调整部件的相对大小，否则不推荐使用。虽然大型模型打印较慢，但在讲座环境中可能更有利于教学展示。由于原子之间可以自由旋转，这些结构能够发生扭曲，从而快速转变为环己烷的不同典型构象。与分子模拟中类似，椅式构象的势阱受到限制，可发生的运动较为受限，而船式构象势阱中的结构则能够流畅地转变为多种船式和扭船式构象。打印平台的准备对于确保第一层良好粘附至关重要。如果没有这一层，打印很可能会失败。本实验方案以环己烷模型为例，但使用所提供的 stl 文件可以打印并组装任何交互式的饱和烃模型。

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