3Dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルアセンブリ
August 13th, 2020
顕微鏡システムの物理モデリングは、他の手段では得ることが困難な洞察を得るのに役立ちます。物理的な分子モデルの構築を容易にするために、3Dプリンティングを使用して、分子系の質を触覚的に捉える機能的な巨視的モデルを組み立てる方法を実証します。
3Dプリンティングは、ますます利用でき、アクセス可能な技術です。このプロトコルは、実際の分子系の動的な性質を保持する物理的な分子モデルを印刷し、組み立てるために使用することができます。分子モデルとの対話性は、通常、接続性を示すに限定される。
3Dプリンティングは、この列車の立体構造の探索と、様々なスケールでの分子運動を開くことができます。静的な原稿で動きを伝えることは困難です。したがって、モデルの印刷、組み立て、操作の方法を確認できることは貴重です。
3D 印刷用のモデル ファイルを準備するには、提供される補助ステレオリソグラフィ ファイルをダウンロードし、スライサー プログラムを使用してコンピューターにファイルをアップロードします。carbon_atom_SP3、水素原子、または炭素炭素結合ファイルのいずれかをスライサープログラムにインポートし、オプションがある場合は単位のミリフォーマットを選択します。メインウィンドウのモデルパネルで「インポート」をクリックし、生成されたファイルブラウザから水素原子デュアルボトムと水素原子デュアルトップファイルの両方をインポートします。
インポートしたモデルを目的のサイズにスケールするには、メインディスプレイでグラフィカルモデルをダブルクリックして、ターゲットモデルの移動、回転、スケーリングを可能にするモデル編集パネルを開きます。モデルを複製してモデル配列を生成するには、[編集]メニューから[モデルの複製]オプションを選択し、ダイアログボックスにモデルパーツの数を入力します。メインウィンドウのモデルパネルで[中央揃えと配置]をクリックして、ビルドプラットフォームの中心付近にモデルを配置し、メインウィンドウのプロセスパネルから「追加」を使用して、ターゲットプリントの適切なモデル処理設定を設定します。
次に、モデルを印刷レイヤーにスライスして G コードツールパスを生成し、メインウィンドウの「印刷準備」ボタンをクリックします。モデル印刷用のプリンタを準備するには、非加熱プリンタベッドの表面に青い画家のテープをコーティングし、接着剤スティックを使用してテープにポリマーの薄い層を適用します。次に、プリンタベッドの上に換気されたエンクロージャを置き、印刷アニールを妨げかよる気流を最小限に抑えます。
印刷後、印刷した部品をプリンターベッドから取り出し、使用する場合は、部品のベースからいかだまたはつばの構造を取り除きます。モデルパーツのベースをミディアムでこすり、細かいグリットサンドペーパーにして、残りの付いたいかだフィラメントを取り除きます。そして、表面の欠陥を取り除くために120から320グリットサンドペーパーでcarbon_atom_SP3モデル部品のベースを砂。
次に、320グリットサンドペーパーで表面を滑らかにし、研磨布を使用して表面を所望の仕上げに研磨します。すべてのピースを研磨したら、目的の結合トポロジに従って、カーボンカーボン結合のコネクタ端と水素原子モデルの部品をcarbon_atom_SP3モデル部品のソケットに挿入します。可聴のクリック音が聞こえるまで、モデルパーツを一緒に絞ります。
接続後、単結合は分離することなくこの接続を中心に自由に回転し、その後、任意のオープンソケットを水素原子モデル部分で満たす所望の分子構造に従って印刷された部品の残りの部分を組み立てて、すべてのcarbon_atom_SP3モデル部品を飽和させる必要があります。リング状シクロヘキサンの場合は、モデルパーツ間にカーボンカーボンボンドモデルパーツを付けてリングcarbon_atom_SP3ポーズをとります。インタラクティブ分子モデルの構築に必要な部分を以下に示します。
炭素原子6個、炭素結合6個、水素原子12個。これらの単色水素は、新しいにじみ出るシールド構造の欠如と活性押出機間の切り替えにおけるポリマーの引き込みの欠如のために、約50〜60%の時間で印刷します。組み立てられたシクロヘキサン構造は、デュアル押出機のプリントが適度に洗練されて見える傾向がある場合でも、機能的に同等です。
PLAモデルはプリンターからまっすぐにABSモデルより比較的洗練されている。アセトン処理は滑らかで光沢の高い仕上がりになります。アセトンは、内部支持構造やモデルを層欠陥で解体することもできますが、モデルが崩壊する結果となります。
組み立てられたシクロヘキサン構造はすべて、同じ方法で屈曲、歪曲、および適合性を採用することができます。これらのモデルの中で最も小さいのは印刷の欠陥が最も多く、このサイズが小さすぎる可能性があり、部品の相対的なサイズを微調整せずに推奨されません。印刷が遅い一方で、大きなモデルは講義の設定でのコミュニケーションに対してより効果的である可能性があります。
原子は互いに対して容易に回転することができるので、構造はシクロヘキサンの異なる代表適合体にスナップするように歪めることができる。分子シミュレーションと同様に、椅子の立体構造の流域は制限され、ボートの洗面器の構造は流動的にボートおよびねじれボートの立体構造にアクセスできる間、利用できる動きを制限する。プリンタベッドの準備は、十分に接着された第1層を確保するために不可欠です。
このレイヤーがないと、印刷が失敗する可能性があります。このプロトコルはシクロヘキサンモデルを例として提供しますが、任意のインタラクティブな飽和炭化水素モデルを印刷し、提供されたstlファイルで組み立てることができます。
概要
この記事では、3Dプリント技術を使用して、実際の分子系の動的な特性を模倣する対話型の分子モデルを作成する方法を示します。これらのモデルを組み立てることで、研究者は分子の構造と動きを具体的に探索することができます。
主要な研究構成要素
科学分野
- 3Dプリント技術
- 分子モデリング
- 生物物理学
背景
- 3Dプリントは科学的応用においてより利用しやすくなっています。
- 従来の分子モデルは対話性と動的な表現が不足していることがよくあります。
- 物理モデルは分子構造と挙動の理解を深めることができます。
- 文書の静的な表現では分子の動きを効果的に伝えることができません。
研究の目的
- 3Dプリントを使用して機能的な分子モデルを作成する方法を示す。
- 分子の構造と相互作用の探索を可能にする。
- これらのモデルを準備し組み立てるためのプロトコルを提供する。
使用した方法
- 3Dプリント用のステレオリソグラフィーファイルをダウンロードして準備する。
- スライサープログラムを使用してモデルの寸法と設定を調整する。
- 適切な材料と技術を使用してモデルをプリントする。
- プリントしたパーツを組み立てて対話型の分子構造を作成する。
主な結果
- シクロヘキサンや他の炭化水素のモデルを成功裏にプリントして組み立てました。
- モデルは柔軟性と様々な構造を表現する能力を示しました。
- 異なる材料（PLA対ABS）がモデルの品質と仕上げに影響を与えました。
- 他の環境でプロセスを複製するための詳細なプロトコルを提供しました。
結論
- 3Dプリントされた分子モデルは分子動力学の理解を深めます。
- 対話型モデルは教育と研究の文脈で効果的に使用できます。
- 将来の応用には、より広範囲の分子系と構造が含まれる可能性があります。
よくある質問
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.
