Name: Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-02-18T14:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 28 s
Description: Apprenez l'impression 3D avec modification de surface in situ via polymérisation RAFT de type I. Cette méthode permet d'ajuster indépendamment les propriétés volumiques et interfaciales des matériaux imprimés.

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Les auteurs reconnaissent le financement de l’Australian Research Council et de l’UNSW Australia via le programme Discovery Research (DP210100094).

1. Préparation du programme d’impression 3D et de l’imprimante 3D
<ol><li>Concevez le modèle numérique pour l’impression 3D en suivant les étapes ci-dessous.<ol>
<li>Ouvrez un programme de conception assistée par ordinateur (voir Tableau des matériaux).</li>
		<li>Dans le plan x-y, créez un rectangle centré sur l’origine ayant des dimensions de 80 mm x 40 mm, puis extrudez le long de l’axe z positif pendant 1,5 mm pour former un prisme rectangulaire solide, appelé objet de base.</li>
		<li>Au-dessus de l’objet de base, c’est-à-dire à z = 1,5 mm, dessinez les motifs de surface souhaités (dans ce cas, deux symboles yin-yang) sur la surface du prisme rectangulaire.</li>
		<li>Extrudez les motifs de surface dans les régions sélectionnées de 0,05 mm le long de l’axe z positif pour créer un motif légèrement surélevé par rapport à l’objet de base.</li>
		<li>Exportez le modèle 3D pour fournir un fichier de stéréolithographie avec . EXTENSION DE FICHIER STL. NOTE: Dans ce travail, des spécimens en forme d’os de chien ont été conçus27. Pour les autres modèles souhaités à imprimer, suivez les étapes 1.1.1-1.1.5.</li>
		<li>Ouvrez un programme de découpage d’imprimante 3D (voir Tableau des matériaux) pour activer les paramètres monocouche.</li>
		<li>Ouvrez le fichier . STL à partir du disque dur de l’ordinateur en cliquant sur Fichier > Ouvrir puis en accédant à l’enregistrement . STL.</li>
		<li>Organisez les modèles 3D sur la plate-forme de construction à l’aide des boutons « Rotation du modèle » et « Déplacement du modèle » pour les adapter à au moins 1 mm entre tous les objets de la phase de construction.</li>
		<li>En entrant du texte dans les zones de champ de saisie du panneau de droite, modifiez les paramètres mentionnés dans le tableau 1.</li>
		<li>Cliquez sur le bouton bleu Tranche dans le coin inférieur gauche et enregistrez-le en tant que fichier de tranche avec une extension de. PWS ou autre fichier découpé lisible par imprimante 3D.</li>
		<li>Cliquez sur le bouton Aperçu une fois que le menu contextuel apparaît et naviguez dans les calques découpés à l’aide de la barre de défilement sur le côté droit. Notez attentivement les numéros de couche pour la dernière couche de base (couche 29 dans ce cas) et la couche de motif de surface (30 dans ce cas). REMARQUE: Le premier calque imprimé est « calque 0 » et non « calque 1 ».</li>
		<li>Dans le panneau de droite, sélectionnez Paramètres monocouche, puis développez le menu déroulant.</li>
		<li>Modifiez le « Temps d’exposition( s) » pour le calque de surface (calque 30) uniquement à 180 s, en laissant tous les autres temps d’exposition du calque comme valeur par défaut.</li>
		<li>Cliquez sur le bouton Enregistrer dans le coin supérieur gauche pour enregistrer le fichier découpé sur une clé USB.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Préparez l’imprimante 3D.<ol>
<li>Insérez l’USB contenant le fichier découpé dans l’imprimante 3D (voir Tableau des matériaux).</li>
		<li>Avant l’impression 3D, nivelez l’étape de construction et étalonnez la position de l’axe Z à z = 0 en suivant la méthode d’impression 3D spécifique (étalonnage manuel ou automatique suivant le manuel de l’imprimante 3D).</li>
		<li>Inspectez le film de la cuve de l’imprimante 3D pour vous assurer d’une surface lisse et propre exempte de défauts.</li>
		<li>Si le film de cuve semble endommagé, remplacez-le selon le protocole du fabricant.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Préparation des résines
REMARQUE: Les résines sont classées comme « résine en vrac » pour la résine utilisée pour imprimer en 3D le matériau d’origine (substrat de base) et « résine de surface » pour la solution utilisée pour effectuer la fonctionnalisation de surface (motif de surface).
<ol><li>Préparez la résine en vrac.<ol>
<li>Pour préparer la résine en vrac, peser 0,36 g d’acide 2-(n-butylthiocarbonothioylthio) propanoïque (BTPA) dans un flacon d’ambre propre de 50 mL.</li>
		<li>Ajouter 13,63 mL de poly (éthylène glycol) diacrylate moyen Mn 250 (PEGDA) au flacon ambré à l’aide d’une micropipette.</li>
		<li>Ajouter 14,94 mL de N, N-diméthylacrylamide (DMAm) au flacon ambré à l’aide d’une micropipette.</li>
		<li>Dans un flacon de verre propre séparé de 20 mL recouvert de papier d’aluminium, ajouter 0,53 g d’oxyde de phosphine (TPO) de diphényle (2,4,6-triméthylbenzoyle).</li>
		<li>À l’aide d’une micropipette, ajouter 10 mL de DMAm au flacon en verre de 20 mL contenant le TPO et sceller le flacon à l’aide du bouchon.</li>
		<li>Homogénéiser soigneusement la solution de TPO et de DMAm en mélangeant à l’aide d’un mélangeur vortex pendant 10 s, puis en utilisant un bain sonique de laboratoire standard (~40 kHz) pour soniquer le mélange pendant 1 min à température ambiante (Figure 1C, à gauche).</li>
		<li>À l’aide d’une pipette en verre et d’une ampoule en caoutchouc, transférez la solution du flacon en verre de 20 mL au flacon ambré de 50 ml et scellez le flacon avec un bouchon et un film plastique moulable.</li>
		<li>Agiter doucement le flacon ambré de 50 mL, puis placer le flacon dans un bain sonique pendant 2 min à température ambiante pour assurer l’homogénéité du mélange (Figure 1C, seconde à partir de la gauche).</li>
		<li>Placez le flacon ambré scellé rempli de résine en vrac dans une hotte pour une utilisation ultérieure.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Préparez la résine de surface.<ol>
<li>Pour préparer la résine de surface, peser 0,50 g de TPO dans un flacon d’ambre propre de 50 ml.</li>
		<li>À l’aide d’une micropipette, ajouter 3,56 mL de DMAm et 11,98 mL de N, N-diméthylformamide (DMF) au flacon ambré de 50 mL et sceller le flacon avec un film plastique moulable en bouchon. </li>
		<li>Agitez doucement le flacon ambré scellé et soniquez pendant 1 min à température ambiante à l’aide d’un bain sonique de laboratoire standard (~40 kHz).</li>
		<li>Dans un flacon propre de 20 mL recouvert de papier d’aluminium, ajouter 0,29 g de méthacrylate de 1-pyrèneméthyle (PyMMA).</li>
		<li>Ajouter 10 mL de DMF au flacon de 20 mL et sceller le flacon avec un bouchon à l’aide d’une micropipette.</li>
		<li>Agitez doucement le flacon de verre de 20 mL et soniquez par incréments de 1 min à température ambiante à l’aide d’un bain sonique de laboratoire standard, en inspectant visuellement entre les cycles jusqu’à ce que le PyMMA semble être complètement dissous (Figure 1C, troisième et quatrième à partir de la gauche).</li>
		<li>À l’aide d’une pipette en verre et d’une ampoule en caoutchouc, transférer la solution du flacon en verre de 20 mL au flacon ambré de 50 mL.</li>
		<li>Agiter doucement le flacon ambré de 50 mL, puis placer le flacon dans un bain sonique pendant 2 min à température ambiante pour assurer l’homogénéité du mélange (Figure 1C, à droite et seconde à partir de la droite).</li>
		<li>Placez le flacon ambré scellé rempli de résine en vrac dans une hotte pour une utilisation ultérieure. ATTENTION : Certains produits chimiques utilisés dans ce protocole peuvent causer une irritation grave de la peau et des yeux et d’autres toxicités pour les humains et l’environnement. Assurez-vous que les protocoles de sécurité sont respectés conformément à la fiche de données de sécurité et aux réglementations locales.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3.3D impression et fonctionnalisation de surface
<ol><li>Effectuez l’impression 3D du substrat de base en suivant les étapes ci-dessous.<ol>
<li>Versez la résine en vrac préalablement préparée (étape 2.1) dans la cuve de l’imprimante 3D (voir Tableau des matériaux), en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur dans la cuve sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D.</li>
		<li>Naviguez dans l’USB à l’aide de l’écran de l’imprimante 3D et sélectionnez le fichier de modèle découpé en cliquant sur le bouton de lecture triangulaire pour commencer le processus d’impression 3D.</li>
		<li>En regardant l’écran de l’imprimante 3D, notez attentivement le nombre de couches imprimées et mettez en pause le programme d’impression en appuyant sur le bouton Pause à deux lignes verticales lors de l’impression 3D de la dernière couche du substrat de base (couche 29 dans ce cas).</li>
		<li>Retirez toute l’étape de construction et rincez doucement l’étape de construction et le matériau imprimé avec de l’éthanol 100% non dénaturé d’une bouteille de lavage pendant 10 s pour éliminer la résine en vrac résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction.</li>
		<li>À l’aide d’air comprimé, séchez doucement le matériau imprimé en 3D et l’étape de construction pour éliminer l’éthanol résiduel, puis réinsérez l’étape de construction dans l’imprimante 3D.</li>
		<li>Retirez la cuve de l’imprimante 3D et versez la résine en vrac restante dans un flacon ambré. Conservez le flacon dans un endroit frais et sombre.</li>
		<li>En utilisant de l’éthanol 100% non dénaturé provenant d’un flacon de lavage, rincez soigneusement la cuve pour éliminer toute résine en vrac résiduelle.</li>
		<li>Séchez la cuve à l’aide d’un jet d’air comprimé pour éliminer tout éthanol résiduel et réinsérez la cuve dans l’imprimante 3D.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Effectuer la fonctionnalisation de surface.<ol>
<li>Versez la résine de surface préalablement préparée (étape 2.2) dans la cuve de l’imprimante 3D, en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D.</li>
		<li>Reprenez le programme d’impression 3D en cliquant sur le bouton de lecture du triangle pour permettre le motif de surface prédéterminé.</li>
		<li>Une fois le programme d’impression terminé, retirez l’étape de construction de l’imprimante 3D et lavez pendant 10 s avec de l’éthanol 100% non dénaturé à l’aide d’une bouteille de lavage pour éliminer la résine de surface résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction.</li>
		<li>À l’aide d’air comprimé (débit, 30 L/min), séchez doucement le matériau imprimé en 3D et construisez l’étape pour éliminer l’éthanol résiduel.</li>
		<li>Tout en restant attaché à l’étape de construction, post-durcissez le matériau en inversant toute la phase de construction et en le plaçant sous une lumière de 405 nm pendant 15 min.</li>
		<li>Retirez délicatement le matériau imprimé en 3D fonctionnalisé en surface de l’étape de construction à l’aide d’une fine plaque métallique ou d’un grattoir à peinture.</li>
		<li>Sans autres ajustements, analysez les propriétés mécaniques et de surface du matériau.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Analyse d’échantillons imprimés en 3D
<ol><li>Effectuer l’analyse de fluorescence.<ol>
<li>Placez le matériau fonctionnalisé en surface imprimé en 3D sous une lampe à décharge de gaz UV de 312 nm (voir Tableau des matériaux) dans un endroit sombre, en vous assurant que la couche fonctionnalisée en surface est tournée vers le haut.</li>
		<li>Allumez la lampe pour irradier continuellement la couche superficielle avec une lumière de 312 nm et observez le motif fluorescent. Prenez des photos si nécessaire. REMARQUE : Il s’agit d’une étape d’inspection visuelle; l’heure ne peut pas être spécifiée. L’irradiation est continue pendant l’observation.</li>
		<li>Placez le matériau imprimé en 3D et fonctionnalisé en surface dans un imageur de fluorescence. À l’aide du logiciel fourni, capturez des images numériques de fluorescence des surfaces supérieure et inférieure à l’aide de la source de décharge de gaz Trans-UV (302 nm) (voir tableau des matériaux).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Effectuez l’analyse des propriétés de traction.<ol>
<li>Mesurez la jauge et l’épaisseur des spécimens d’os de chien (en millimètres).</li>
		<li>Placez les échantillons en forme d’os de chien entre les poignées d’une machine d’essai de traction, en veillant à ce que le matériau imprimé en 3D soit également placé à une distance spécifiée par le document de normes, dans ce cas, 50,3 mm.</li>
		<li>Définir le programme d’essai de traction; dans ce cas, la vitesse de levage a été réglée à 1,1 mm/min, le nombre d’échantillons a été fixé à 10 par seconde.</li>
		<li>Démarrez le programme pour acquérir des données de force (N) par rapport aux données de déplacement (mm).</li>
		<li>Une fois l’exemple préparé, arrêtez la machine et enregistrez les données en tant que données séparées par colonne avec un fichier . Extension de fichier CSV.</li>
		<li>Convertissez les données de force (N) en contrainte (MPa) en divisant chaque point de la colonne de force par la zone de jauge (mm2, obtenue en multipliant la largeur de jauge par l’épaisseur de jauge).</li>
		<li>Convertissez les données de déplacement en déformation (%) en plongeant les données de déplacement par la longueur de jauge (50,3 mm) en chaque point et en multipliant chaque résultat par 100.</li>
		<li>Calculez la ténacité (MJ/m3) à l’aide de la règle trapézoïdale pour calculer la surface sous la courbe contrainte-déformation.</li>
		<li>Calculer le module de Young (MPa) en prenant le gradient de la contrainte (MPa) par rapport à. courbe de déformation (%) dans la région élastique, dans ce travail de 1% à 2% d’allongement27.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Zhu, Y., Egap, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PET-RAFT+polymerization+catalyzed+by+cadmium+selenide+quantum+dots+%28QDs%29%3A+Grafting-from+QDs+photocatalysts+to+make+polymer+nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Chemistry%22%5BJournal%5D)">PET-RAFT polymerization catalyzed by cadmium selenide quantum dots (QDs): Grafting-from QDs photocatalysts to make polymer nanocomposites.</a> Polymer Chemistry. 11 (5), 1018-1024 (2020).</li>
<li>ASTM International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ASTM+Standard+D638-14%3A+Standard+Test+method+for+tensile+properties+of+plastics%5BTitle%5D)+AND+%22ASTM+International%22%5BJournal%5D)">ASTM Standard D638-14: Standard Test method for tensile properties of plastics.</a> ASTM International. , (2014).</li>
<li>Moad, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RAFT+%28Reversible+addition-fragmentation+chain+transfer%29+crosslinking+%28co%29polymerization+of+multi-olefinic+monomers+to+form+polymer+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+International%22%5BJournal%5D)">RAFT (Reversible addition-fragmentation chain transfer) crosslinking (co)polymerization of multi-olefinic monomers to form polymer networks.</a> Polymer International. 64 (1), 15-24 (2015).</li>
<li>Li, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SI-PET-RAFT%3A+Surface-initiated+photoinduced+electron+transfer-reversible+addition-fragmentation+chain+transfer+polymerization%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Macro+Letters%22%5BJournal%5D)">SI-PET-RAFT: Surface-initiated photoinduced electron transfer-reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization.</a> ACS Macro Letters. 8 (4), 374-380 (2019).</li>
</ol>

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Le présent protocole démontre un procédé d’impression 3D de matériaux polymères ayant des propriétés en vrac et interfaciales accordables indépendamment. La procédure est effectuée via une méthode en deux étapes en imprimant en 3D le substrat de base et en modifiant ensuite la couche superficielle de l’objet imprimé en 3D en utilisant une résine fonctionnelle différente mais en utilisant le même matériel d’impression 3D. Alors que les imprimantes 3D utilisées dans ce travail sont conçues pour imprimer des matéri...

La fabrication additive et l’impression 3D ont révolutionné la fabrication de matériaux en fournissant des voies plus efficaces et plus faciles pour la fabrication de matériaux géométriquement complexes1. Outre les libertés de conception accrues dans l’impression 3D, ces technologies produisent moins de déchets que les procédés de fabrication soustractifs traditionnels grâce à l’utilisation judicieuse de matériaux précurseurs dans un processus de fabrication couche par couche. Depuis les années 1980, une large gamme de différentes techniques d’impression 3D a été développée pour fabriquer des composants polymères, métalliques et céramiques1. Les méthodes les plus couramment utilisées comprennent l’impression 3D par extrusion telle que la fabrication de filaments fondus et les techniques d’écriture directe à l’encre2, les techniques de frittage telles que le frittage sélectif au laser3, ainsi que les techniques d’impression 3D photoinduites à base de résine telles que la stéréolithographie au laser et par projection et les techniques de traitement de la lumière numérique masquée4 . Parmi les nombreuses techniques d’impression 3D existantes aujourd’hui, les techniques d’impression 3D photoinduites offrent certains avantages par rapport à d’autres méthodes, notamment une résolution plus élevée et des vitesses d’impression plus rapides, ainsi que la possibilité d’effectuer une solidification de la résine liquide à température ambiante, ce qui ouvre la possibilité d’une impression 3D de biomatériaux avancé4,5,6,7,8, 9. L'
Bien que ces avantages aient permis l’adoption généralisée de l’impression 3D dans de nombreux domaines, la capacité limitée d’adapter indépendamment les propriétés des matériaux imprimés en 3D limite les applications futures10. En particulier, l’incapacité d’adapter facilement les propriétés mécaniques en vrac indépendamment des propriétés interfaciales limite les applications telles que les implants, qui nécessitent des surfaces biocompatibles finement adaptées et des propriétés en vrac souvent très différentes, ainsi que des surfaces antisalissures et antibactériennes, des matériaux de capteurs et d’autres matériaux intelligents11,12,13 . Les chercheurs ont proposé une modification de surface des matériaux imprimés en 3D pour surmonter ces problèmes afin de fournir des propriétés en vrac et interfaciales plus adaptables de manière plus indépendante10,14,15.
Récemment, notre groupe a développé un procédé d’impression 3D photoinduite qui exploite la polymérisation réversible par transfert de chaîne addition-fragmentation (RAFT) pour arbitrer la synthèse de polymères en réseau15,16. La polymérisation RAFT est un type de polymérisation radicalaire de désactivation réversible qui offre un degré élevé de contrôle sur le processus de polymérisation et permet la production de matériaux macromoléculaires avec des poids moléculaires et des topologies finement réglés, et une large portée chimique17,18,19. Notamment, les composés thiocarbonylthio, ou agents RAFT, utilisés lors de la polymérisation RAFT sont conservés après polymérisation. Ils peuvent ainsi être réactivés pour modifier davantage les propriétés chimiques et physiques du matériau macromoléculaire. Ainsi, après impression 3D, ces agents RAFT dormants sur les surfaces du matériau imprimé en 3D peuvent être réactivés en présence de monomères fonctionnels pour fournir des surfaces de matériau sur mesure20,21,22,23,24,25,26. La polymérisation de surface secondaire dicte les propriétés interfaciales du matériau et peut être effectuée de manière contrôlée spatialement par initiation photochimique.
Le présent protocole décrit une méthode d’impression 3D de matériaux polymères via un procédé de polymérisation RAFT photoinduite et la modification de surface in situ ultérieure pour moduler les propriétés interfaciales indépendamment des propriétés mécaniques du matériau en vrac. Par rapport aux approches précédentes d’impression 3D et de modification de surface, le protocole actuel ne nécessite pas de désoxygénation ou d’autres conditions strictes et est donc très accessible aux non-spécialistes. En outre, l’utilisation de matériel d’impression 3D pour effectuer à la fois la fabrication initiale du matériau et la post-fonctionnalisation de la surface fournit un contrôle spatial sur les propriétés du matériau et peut être effectuée sans l’alignement fastidieux de plusieurs photomasques différents pour créer des motifs complexes.

<table><tbody><tr><td>Méthacrylate de 1-pyrénéméthyle</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>765120</td><td></td></tr><tr><td>2-(n-butylthiocarbonothioylthio) acide propanoïque</td><td>Bore Moléculaire</td><td>BM1640</td><td></td></tr><tr><td>Imprimante 3D</td><td>Photon</td><td>Mono S</td><td>intensité lumineuse à la surface du masque numérique = 0,81 mW cm-2</td></tr><tr><td>Impression 3D Logiciel de découpage</td><td></td><td>Photon Photon Workshop V2.1.19</td><td></td></tr><tr><td>Bain à ultrasons 40 kHz</td><td>Thermoline</td><td>UB-410</td><td></td></tr><tr><td>Réservoir d’air comprimé</td><td>Coregas</td><td>230142</td><td>fonctionnant à 130 kPa</td></tr><tr><td>Programme de conception assistée par ordinateur</td><td>SpaceClaim SpaceClaim</td><td>Design Manager V19.1</td><td></td></tr><tr><td>Oxyde de diphényle (2,4,6-triméthylbenzoyle) phosphine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>415952</td><td></td></tr><tr><td>Éthanol non dénaturé 100 % AR</td><td>ChemSupply</td><td>EL043-2.5L-P</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol Flacon toilette</td><td>Rowe Scientific</td><td>AZLWGF541P</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescence Imager</td><td>Bio-Rad</td><td>Gel Doc XR+</td><td>Utilise une lampe à décharge de gaz de 302 nm comme source d’émission</td></tr><tr><td>Capteur d’intensité lumineuse Capteur d’intensité lumineuse</td><td>Newport</td><td>843-R</td><td></td></tr><tr><td>Testeur mécanique</td><td>Mark&ndash ; 10</td><td>ESM303</td><td>Dynamomètre 1 kN M5&ndash ; 200</td></tr><tr><td>Film plastique moulable</td><td>Parafilm</td><td>PM992</td><td></td></tr><tr><td>N,N-diméthlacrylamide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>274135</td><td></td></tr><tr><td>N,N-Diméthylformamide HPLC</td><td>ChemSupply</td><td>LC1051-G4L</td><td></td></tr><tr><td>Poly(éthylène glycol) diacrylate moyen Mn 250</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>475629</td><td></td></tr><tr><td>Lampe post-polymérisation</td><td>Leoway</td><td>&lrm ; B0869BY79P</td><td>60 W 405 nm</td></tr><tr><td>Document des normes</td><td>ASTM</td><td>ASTM Norme D638-14</td><td></td></tr><tr><td>Machine d’essai de traction</td><td>Mark-10</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lumière UV</td><td>Fisher Scientific</td><td>11-982-30</td><td>6 W Spectroline E-Series, Lampe à décharge de gaz</td></tr><tr><td>Vortex Mixer IKA Vortex 3</td><td>LabTek</td><td>3340000I</td><td></td></tr></tbody></table>

impression 3d et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type i

3D Printing and In Situ Surface Modification via Type I Photoinitiated Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization

L’impression 3D permet d’accéder facilement à des matériaux géométriquement complexes. Cependant, ces matériaux ont des propriétés intrinsèquement liées en vrac et interfaciales en fonction de la composition chimique de la résine. Dans les travaux actuels, les matériaux imprimés en 3D sont post-fonctionnalisés à l’aide du matériel de l’imprimante 3D via un processus de polymérisation secondaire initié en surface, offrant ainsi un contrôle indépendant sur les propriétés du matériau en vrac et interfacial. Ce processus commence par la préparation de résines liquides, qui contiennent un monomère monofonctionnel, un monomère multifonctionnel de réticulation, une espèce photochimiquement labile qui permet l’initiation de la polymérisation et, surtout, un composé thiocarbonylthio qui facilite la polymérisation réversible du transfert de chaîne addition-fragmentation (RAFT). Le composé thiocarbonylthio, communément appelé agent RAFT, intervient dans le processus de polymérisation de croissance en chaîne et fournit aux matériaux polymères des structures de réseau plus homogènes. La résine liquide est durcie couche par couche à l’aide d’une imprimante 3D numérique de traitement de la lumière disponible dans le commerce pour donner des matériaux tridimensionnels ayant des géométries contrôlées spatialement. La résine initiale est retirée et remplacée par un nouveau mélange contenant des monomères fonctionnels et des espèces photoinitiantes. Le matériau imprimé en 3D est ensuite exposé à la lumière de l’imprimante 3D en présence du nouveau mélange de monomères fonctionnels. Cela permet à la polymérisation photoinduite initiée par la surface de se produire à partir des groupes d’agents RAFT latents à la surface du matériau imprimé en 3D. Compte tenu de la flexibilité chimique des deux résines, ce processus permet de produire une large gamme de matériaux imprimés en 3D avec des propriétés en vrac et interfaciales personnalisables.

La procédure générale pour l’impression 3D et la fonctionnalisation de surface est illustrée à la figure 1. Dans ce protocole, un polymère réseau est initialement synthétisé via un procédé de polymérisation RAFT photoindustré15, à l’aide d’une imprimante 3D pour fabriquer un objet dans un processus couche par couche (Figure 1A). La résine en vrac utilisée pour former le réseau de polymères contient une espèce initiatrice photolab...

Le présent protocole décrit l’impression 3D numérique de matériaux polymères basée sur le traitement de la lumière à l’aide de la polymérisation réversible de type I par transfert de chaîne addition-fragmentation photoinitiée et la post-fonctionnalisation ultérieure du matériau in situ via une polymérisation à médiation superficielle. L’impression 3D photoinduite fournit des matériaux avec des propriétés en vrac et interfaciales personnalisées et contrôlées spatialement de manière indépendante.

Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I

3D printing provides facile access to geometrically complex materials. However, these materials have intrinsically linked bulk and interfacial properties ...

Ce protocole permet d’accorder indépendamment les propriétés en vrac et interfaciales des matériaux imprimés en 3D. Cela donne une plus grande flexibilité pour concevoir et fabriquer des matériaux complexes imprimés en 3D. Cette technique ne nécessite pas de conditions de réaction strictes et peut être réalisée à l’aide d’équipements disponibles dans le commerce.En conséquence, cette technique facilite considérablement la fabrication de matériaux complexes imprimés en 3D. Pour commencer, préparez la résine en vrac en pesant 0,36 gramme de BTPA dans un flacon d’ambre propre de 50 millilitres. Ajouter 13,63 millilitres de diacrylate de polyéthylène glycol et 14,94 millilitres de DMAm au flacon ambré à l’aide d’une micropipette.Dans un flacon de verre propre séparé de 20 millilitres recouvert de papier d’aluminium, ajoutez 0,53 gramme de TPO. À l’aide d’une micropipette, ajouter 10 millilitres de DMAm au flacon en verre de 20 millilitres contenant le TPO et sceller le flacon à l’aide du bouchon. Homogénéiser soigneusement la solution de TPO dans DMAm en mélangeant à l’aide d’un mélangeur vortex pendant 10 secondes, puis en utilisant un bain sonique de laboratoire standard pour soniquer le mélange pendant 2 minutes à température ambiante.À l’aide d’une pipette en verre et d’une ampoule en caoutchouc, transférez la solution du flacon en verre de 20 millilitres au flacon ambré de 50 millilitres et scellez le flacon avec un bouchon et un film plastique moulable. Agitez doucement le flacon d’ambre de 50 millilitres, puis placez le flacon dans un bain sonique pendant 2 minutes à température ambiante pour vous assurer que le mélange est homogène. Placez le flacon ambré scellé rempli de résine en vrac dans une hotte pour une utilisation ultérieure.Préparez la résine de surface comme décrit précédemment pour la préparation de la résine en vrac. Après avoir préparé la résine de surface, placez le vile ambré scellé rempli de résine de surface dans une hotte pour une utilisation ultérieure. Pour effectuer l’impression 3D, versez la résine en vrac préalablement préparée dans la cuve de l’imprimante 3D, en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur dans la cuve sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D.Naviguez dans l’USB à l’aide de l’écran de l’imprimante 3D et sélectionnez le fichier de modèle découpé en cliquant sur le bouton de lecture triangulaire pour commencer le processus d’impression 3D. En regardant l’écran de l’imprimante 3D, notez attentivement le nombre de couches imprimées et mettez en pause le programme d’impression en appuyant sur le bouton Pause à deux lignes verticales lors de l’impression 3D de la dernière couche du substrat de base. Retirez toute l’étape de construction et rincez doucement l’étape de construction et le matériau imprimé avec de l’éthanol 100% non dénaturé d’une bouteille de lavage pendant 10 secondes pour éliminer la résine en vrac résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction.À l’aide d’air comprimé, séchez doucement le matériau imprimé en 3D et l’étage de construction pour éliminer l’éthanol résiduel, puis réinsérez l’étape de construction dans l’imprimante 3D. Retirez la cuve de l’imprimante 3D et versez la résine en vrac restante dans un vil ambré, et stockez l’ignoble dans un endroit frais et sombre. En utilisant de l’éthanol 100% non dénaturé provenant d’un flacon de lavage, rincez soigneusement la cuve pour éliminer toute résine en vrac résiduelle.Séchez la cuve à l’aide d’un jet d’air comprimé pour éliminer tout éthanol résiduel et réinsérez la cuve dans l’imprimante 3D. Pour effectuer la fonctionnalisation de surface, versez la résine de surface préalablement préparée dans la cuve de l’imprimante 3D, en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D. Reprenez le programme d’impression 3D en cliquant sur le bouton de lecture du triangle pour permettre le motif de surface prédéterminé.Une fois le programme d’impression terminé, retirez l’étape de construction de l’imprimante 3D et lavez pendant 10 secondes avec de l’éthanol 100% non dénaturé à l’aide d’une bouteille de lavage pour éliminer la résine de surface résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction. À l’aide d’air comprimé, séchez doucement le matériau imprimé en 3D et construisez l’étape pour éliminer l’éthanol résiduel. Tout en restant attaché à l’étape de construction, post-durcissez le matériau en inversant toute l’étape de construction et en le plaçant sous une lumière de 405 nanomètres pendant 15 minutes.Retirez délicatement le matériau imprimé en 3D fonctionnalisé en surface de l’étape de construction à l’aide d’une fine plaque métallique ou d’un grattoir à peinture. Pour effectuer l’analyse de fluorescence, placez le matériau fonctionnalisé de surface imprimé en 3D sous une lampe à décharge de gaz ultraviolet de 312 nanomètres dans un endroit sombre, en vous assurant que la couche fonctionnalisée de surface est tournée vers le haut. Allumez la lampe pour irradier en continu la couche superficielle avec une lumière de 312 nanomètres et observez le motif fluorescent.Pour effectuer l’analyse des propriétés de traction, placez les échantillons en forme d’os de chien entre les poignées d’une machine d’essai de traction, en veillant à ce que le matériau imprimé en 3D soit également placé à une distance de 50,3 millimètres. Démarrez le programme pour acquérir des données de force par rapport aux données de voyage. Après l’impression 3D et la fonctionnalisation de surface, le matériau a été post-durci sous irradiation de 405 nanomètres.Il a été observé que les matériaux fonctionnalisés étaient jaunes mais très transparents avec des formes bien définies. Les matériaux fonctionnalisés ne montrent aucune fluorescence dans l’obscurité. Cependant, lors de l’irradiation ultraviolette, une fluorescence de surface résolue spatialement a été observée dans les régions irradiées par la lumière pendant l’étape de fonctionnalisation de la surface, visible sous la forme d’un motif yin-yang légèrement surélevé.Les images de fluorescence ont montré que le dessous du matériau ne présentait aucune fluorescence sous irradiation par lumière ultraviolette. Cependant, la face supérieure du matériau a montré une forte fluorescence dans le motif yin-yang. Les propriétés mécaniques des échantillons en forme d’os de chien imprimés en 3D ont été analysées et une courbe contrainte-déformation a été obtenue.Le matériau a montré une déformation élastique, fournissant une contrainte d’élasticité d’environ 25 mégapascal, puis une déformation plastique avant défaillance. L’allongement à la rupture était d’environ 12% tandis que la contrainte à la rupture était d’environ 22 mégapascal. Le module de Young a été calculé à environ 7 mégapascal, tandis que la ténacité était d’environ 115 mégajoules par mètre cube.Il est important de s’assurer que la surface résidente recouvre complètement le film de la cuve et est exempte de bulles d’air ou d’autres imperfections pouvant entraîner des écarts par rapport au motif de surface prévu.

3d-printing-situ-surface-modification-via-type-i-photoinitiated

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Chimie

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Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I (Vidéo) | JoVE Journal

Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I

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