מודל מולקולרי אינטראקטיבי הרכבה עם הדפסה תלת-ממדית
August 13th, 2020
מידול פיזי של מערכות מיקרוסקופיים עוזר להשיג תובנות שקשה להשיג באמצעים אחרים. כדי להקל על הבנייה של דגמים מולקולריים פיזיים, אנו מדגימים כיצד הדפסה 3D ניתן להשתמש כדי להרכיב מודלים מאקרוסקופי פונקציונלי ללכוד איכויות של מערכות מולקולריות בצורה מישוש.
הדפסה בתלת-ממד היא טכנולוגיה זמינה ונגישה יותר ויותר. פרוטוקול זה יכול לשמש להדפסה והרכבה של מודלים מולקולריים פיזיקליים השומרים על התכונות הדינמיות של מערכות מולקולריות אמיתיות. אינטראקטיביות עם מודלים מולקולריים מוגבלת בדרך כלל להצגת קישוריות.
הדפסה בתלת-ממד יכולה לפתוח את חקר הקונפורמציה ברכבת זו, ותנועה מולקולרית במגוון קשקשים. קשה להעביר תנועה בכתב יד סטטי. אז זה בעל ערך כדי להיות מסוגל לראות איך מודלים ניתן להדפיס, להרכיב, ומניפולציה.
כדי להכין את קבצי המודל להדפסה בתלת-ממד, הורד את קבצי הסטריאוליטוגרפיה השלים שסופקו והעלה את הקבצים למחשב עם תוכנית כלי פריסה. ייבאו את אחד carbon_atom_SP3, אטום המימן או פחמן-פחמן לתוכנית כלי הפריסה ובחרו את תבנית המילימטר עבור היחידות אם האפשרות זמינה. לחצו על 'ייבוא' בחלונית 'מודלים' של החלון הראשי וייבאו הן את אטום המימן הכפול והן את אטום המימן הכפול מדפדפן הקבצים שנוצר.
כדי לשנות את קנה המידה של הדגם המיובא לגודל הרצוי, לחץ פעמיים על הדגם הגרפי בתצוגה הראשית כדי לפתוח חלונית עריכת מודל המאפשרת תרגום, סיבוב וקנה מידה של מודל היעד. כדי לשכפל את המודלים כדי ליצור מערך מודלים, בחרו באפשרות 'מודלים כפולים' מתפריט 'עריכה' והזינו את מספר חלקי הדגם בתיבת הדו-שיח. לחצו על 'מרכז' ו'סדר' בחלונית 'מודלים' של החלון הראשי כדי לסדר את הדגמים בסמוך למרכז פלטפורמת הבנייה ולהשתמש ב'הוסף' מחלונית התהליך של החלון הראשי כדי לקבוע את קביעות עיבוד הדגם המתאימות להדפסות יעד.
לאחר מכן פורסים את הדגם לשכבות הדפסה כדי ליצור נתיב כלים של G-Code ולחצו על הלחצן 'הכן להדפסה' בחלון הראשי. כדי להכין את המדפסת להדפסה בדגם, יש לציפוי פני השטח של מיטת המדפסת הלא מחומם בקלטת של הצייר הכחול ולהשתמש במקל דבק כדי להחיל שכבה דקה של פולימר על הקלטת. לאחר מכן מניחים מארז מאוורר מעל מיטת המדפסת כדי למזער את זרמי האוויר שעלולים להפריע לזירוז ההדפסה.
לאחר ההדפסה, הסר את החלקים המודפסים ממיטת המדפסת והסר את מבני הרפסודה או שוליים מבסיס החלקים, אם נעשה בהם שימוש. שפשף את הבסיס של חלק הדגם עם נייר זכוכית חצץ בינוני עדין כדי להסיר את כל תריסי הרפסודה המחוברים הנותרים. וחול הבסיס של חלקי הדגם carbon_atom_SP3 עם 120 עד 320 נייר זכוכית חצץ כדי להסיר את כל פגמים פני השטח.
לאחר מכן, להחליק את פני השטח עם נייר זכוכית 320 חצץ ולהשתמש במטלית פולנית כדי ללטש את פני השטח לגימור הרצוי. כאשר כל החלקים כבר מלוטש, להכניס את קצות המחבר של קשר פחמן פחמן ואת החלקים מודל אטום מימן לתוך השקעים על החלקים מודל carbon_atom_SP3 על פי טופולוגיית מליטה הרצויה. לסחוט את חלקי המודל יחד עד קליק נשמע נשמע.
לאחר החיבור, הקשר היחיד צריך להסתובב בחופשיות על חיבור זה מבלי להפריד, ולאחר מכן להרכיב את שאר החלקים המודפסים על פי המבנה המולקולרי הרצוי מילוי כל שקע פתוח עם חלק מודל אטום מימן כדי להרוות את כל החלקים מודל carbon_atom_SP3 ה-carbon_atom_SP3. עבור cyclohexane דמוי טבעת, להוות את הטבעת עם חלק מודל פחמן פחמן בין carbon_atom_SP3 מודל. להלן החלקים הדרושים לבניית מודל מולקולרי אינטראקטיבי.
שישה אטומי פחמן, שישה קשרי פחמן-פחמן, ו-12 אטומי מימן. המימן החד-צבעי הזה מדפיס בערך 50 עד 60% פחות זמן בגלל היעדר מבנה מגן ooze חדש ומחסור בנסיגה פולימרית בהחלפה בין אקסטרודרים פעילים. המבנים cyclohexane התאספו שקולים מבחינה פונקציונלית, גם אם הדפסים extruder כפול נוטים להיראות מעודן יותר במתינות.
דגמי PLA מעודנים יחסית מדגמי ABS היישר מהמדפסת. תוצאות הטיפול אצטון גימור חלק וגווני מבריק. שים לב כי אצטון יכול גם להמיס מבני תמיכה פנימיים ומודלים עם פגמים בשכבה, עם זאת, וכתוצאה מכך קריסת מודל.
כל המבנים הקיקלוהקסאניים שנאספו מסוגלים להגמיש, לעוות ולאמץ קונפורמרים רלוונטיים באותו אופן. הקטן מבין דגמים אלה הוא המועד ביותר להדפיס פגמים, מה שהופך את גודל זה פוטנציאל קטן מדי ולא מומלץ מבלי לכוונן את הגודל היחסי של החלקים. למרות ההדפסה האיטית, מודלים גדולים עשויים להיות יעילים יותר לתקשורת בהגדרות ההרצאה.
מאז האטומים יכולים בקלות לסובב יחסית זה לזה, המבנים יכולים להיות מעוותים להיצמד קונפורמים מייצגים שונים של cyclohexane. כמו בסימולציות מולקולריות, אגן קונפורמציית הכיסא מוגבל, הגבלת תנועות זמינות בעוד מבנים באגן הסירה יכולים לגשת באופן נוזלי למגוון של קונפורמציות סירה ולסובב סירות. הכנת מיטת המדפסת חיונית להבטחת שכבה ראשונה דבקה היטב.
ללא שכבה זו, סביר להניח שההדפסה תיכשל. פרוטוקול זה מספק דגם cyclohexane כדוגמה, אך כל דגם פחמימני רווי אינטראקטיבי ניתן להדפיס ולהרכיב עם קבצי stl שסופקו.
סקירה כללית
מאמר זה מדגים את השימוש בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית ליצירת מודלים מולקולריים אינטראקטיביים המדמים את התכונות הדינמיות של מערכות מולקולריות אמיתיות. על ידי הרכבת המודלים הללו, חוקרים יכולים לחקור את הקונפורמציה והתנועה המולקולרית בצורה מוחשית.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית
- מודלים מולקולריים
- ביופיזיקה
רקע
- הדפסה תלת-ממדית הופכת לנגישה יותר עבור יישומים מדעיים.
- מודלים מולקולריים מסורתיים לעיתים קרובות חסרים אינטראקטיביות וייצוג דינמי.
- מודלים פיזיים יכולים לשפר את ההבנה של מבנים והתנהגויות מולקולריות.
- ייצוגים סטטיים בכתבי יד אינם משדרים ביעילות את התנועה המולקולרית.
מטרת המחקר
- להמחיש כיצד ניתן להשתמש בהדפסה תלת-ממדית ליצירת מודלים מולקולריים פונקציונליים.
- לאפשר חקירה של קונפורמציות ואינטראקציות מולקולריות.
- לספק פרוטוקול להכנה ולהרכבת המודלים הללו.
שיטות בהן נעשה שימוש
- הורדה והכנה של קבצי סטריאוליטוגרפיה להדפסה תלת-ממדית.
- שימוש בתוכנת חיתוך כדי להתאים את ממדי המודל והגדרותיו.
- הדפסת מודלים באמצעות חומרים וטכניקות מתאימות.
- הרכבת החלקים המודפסים ליצירת מבנים מולקולריים אינטראקטיביים.
תוצאות עיקריות
- הודפסו ורכבו בהצלחה מודלים של ציקלוהקסן ופחמימנים אחרים.
- המודלים הדגימו גמישות ויכולת לייצג קונפורמציות שונות.
- חומרים שונים (PLA לעומת ABS) השפיעו על איכות והגימור של המודלים.
- סופק פרוטוקול מפורט להעתקת התהליך בסביבות אחרות.
מסקנות
- מודלים מולקולריים מודפסים תלת-ממדיים משפרים את ההבנה של הדינמיקה המולקולרית.
- ניתן להשתמש במודלים אינטראקטיביים ביעילות בהקשרים חינוכיים ומחקריים.
- יישומים עתידיים עשויים לכלול מגוון רחב יותר של מערכות ומבנים מולקולריים.
שאלות נפוצות
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.
