Artykuł metodologiczny

Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D

12.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61487

⸱

13 sierpnia 2020

 , 
1Department of Chemistry, Oklahoma State University

W tym artykule

Podsumowanie

Fizyczne modelowanie systemów mikroskopijnych pomaga uzyskać wgląd, który jest trudny do uzyskania w inny sposób. Aby ułatwić budowę fizycznych modeli molekularnych, pokazujemy, w jaki sposób druk 3D może być wykorzystany do składania funkcjonalnych modeli makroskopowych, które w sposób dotykowy oddają cechy układów molekularnych.

Streszczenie

Wraz ze wzrostem dostępności druku 3D, obserwuje się wzrost zastosowania i zainteresowania procesami wytwarzania przyrostowego w laboratoriach chemicznych i edukacji chemicznej. Opierając się na długiej i udanej historii fizycznego modelowania układów molekularnych, prezentujemy wybrane modele wraz z protokołem ułatwiającym drukowanie 3D struktur molekularnych, które są w stanie zrobić więcej niż tylko reprezentować kształt i łączność. Modele zmontowane zgodnie z opisem uwzględniają aspekty dynamiczne i stopnie swobody w nasyconych strukturach węglowodorowych. Jako reprezentatywny przykład, cykloheksan został złożony z części wydrukowanych i wykończonych przy użyciu różnych tworzyw termoplastycznych, a powstałe modele zachowują swoją funkcjonalność w różnych skalach. Powstałe struktury wykazują dostępność przestrzeni konfiguracyjnej zgodną z obliczeniami i literaturą, a wersje tych struktur mogą być używane jako pomoce do zilustrowania pojęć, które są trudne do przekazania w inny sposób. To ćwiczenie pozwala nam ocenić skuteczne protokoły drukowania, sformułować praktyczne zalecenia dotyczące montażu i nakreślić zasady projektowania dla fizycznego modelowania układów molekularnych. Dostarczone struktury, procedury i wyniki stanowią podstawę do indywidualnej produkcji i eksploracji struktury molekularnej i dynamiki za pomocą druku 3D.

Wprowadzenie

Budowanie struktury molekularnej od dawna jest kluczowym aspektem dla odkrycia i walidacji naszego zrozumienia kształtu i interakcji między cząsteczkami. Budowanie modelu fizycznego było motywującym aspektem w określeniu struktury α-helisy w białkach przez Paulinga i wsp.1, podstawowe struktury hydratów klatratu w wodzie2,3, oraz struktury podwójnej helisy DNA przez Watsona i Cricka4. W opublikowanym opisie struktury DNA James Watson szczegółowo opisuje wiele trudności, z jakimi borykano się podczas budowania takich modeli, takich jak owijanie miedzianego drutu wokół modelowych atomów węgla w celu wytworzenia atomów fosforu, niebezpiecznie delikatne zawiesiny atomów i tworzenie tekturowych wycinanek z podstaw, czekając na wycinanki z cyny w warsztacie mechanicznym5. Takie problemy w budowaniu modeli zostały w dużej mierze rozwiązane dzięki modelowaniu obliczeniowemu, które rozszerzyło lub całkowicie wyparło podejścia fizyczne, chociaż modele fizyczne pozostają istotnym aspektem w edukacji chemicznej i eksperymentach6,7,8,9.

Od około 2010 roku, druk 3D odnotował znaczny wzrost popularności jako narzędzia do kreatywnego projektowania i produkcji. Wzrost ten był napędzany przez konkurencję i dostępność różnorodnych drukarek do modelowania metodą topienia topionego (FDM) od szeregu nowych firm skoncentrowanych na szerokiej komercjalizacji tej technologii. Wraz z rosnącą dostępnością nastąpił jednoczesny wzrost zastosowania tych technologii w edukacji chemicznej i laboratoryjnych warunkach eksperymentalnych10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. W tym okresie zarówno komercyjne, jak i otwarte repozytoria społecznościowe dla modeli 3D, takie jak NIH 3D Print Exchange22, sprawiły, że systemy modeli do drukowania 3D stały się bardziej dostępne, chociaż wiele z tych modeli ma tendencję do koncentrowania się na określonych cząsteczkach docelowych i zapewnia proste struktury statyczne z naciskiem na łączność i typ wiązań. Bardziej ogólne grupy atomowe i molekularne mogą umożliwić bardziej kreatywne konstrukcje12,23, i istnieje zapotrzebowanie na modele, które mogą umożliwić tworzenie ogólnych struktur z dotykowym, dynamicznym i wrażliwym na siłę sprzężeniem zwrotnym dla struktur molekularnych.

Tutaj prezentujemy elementy struktury modelu molekularnego, które można łatwo wydrukować i złożyć w celu stworzenia dynamicznych modeli molekularnych nasyconych węglowodorów. Struktury składowe są częścią szerszego zestawu, który opracowaliśmy w celu rozszerzenia i działań informacyjnych dla naszego laboratorium i uniwersytetu. Dostarczone części zostały zaprojektowane tak, aby można je było drukować różnymi rodzajami filamentów polimerowych na popularnych drukarkach 3D FDM. Prezentujemy wyniki modeli z wykorzystaniem różnych polimerów i technik wykańczania zarówno z pojedynczych, jak i podwójnych drukarek FDM ekstruderowych. Komponenty te są skalowalne, co umożliwia tworzenie modeli odpowiednich zarówno do osobistego badania, jak i demonstracji w większych warunkach wykładowych.

Głównym celem tego raportu jest pomoc innym badaczom i edukatorom w tłumaczeniu szczegółów struktury chemicznej i wiedzy na bardziej fizyczny sposób za pomocą druku 3D. W tym celu przedstawiamy przykładowe zastosowanie polegające na montażu i manipulowaniu cykloheksanem w różnych skalach. Konformacje sześcioczłonowego systemu pierścieniowego są głównym tematem na kursach wprowadzających do chemii organicznej24, a te konformery są czynnikiem wpływającym na reaktywność struktur pierścieniowych i cukrowych25,26,27. Drukowane modele elastycznie przyjmują brelok conformers24, a siła potrzebna do ścieżek konwersji pierścieni może być bezpośrednio badana i jakościowo oceniana ręcznie.

Protokół

1. Przygotowanie plików modelu do druku 3D

UWAGA: Duża liczba drukarek 3D oraz dostępność darmowego i komercyjnego oprogramowania do drukowania sprawiają, że podanie dokładnych instrukcji wykracza poza zakres tego artykułu. Przedstawiono tutaj ogólny przebieg protokołu oraz zalecenia, z uwzględnieniem konkretnych uwag dla reprezentatywnych modeli zaprezentowanych z wymienionym oprogramowaniem i drukarkami 3D (patrz Tabela materiałów). Dedykowane instrukcje producenta, specyficzne dla kombinacji drukarki i oprogramowania do slicingu użytkownika, mają pierwszeństwo przed podanymi zaleceniami.

  1. Pobierz uzupełniające pliki stereolitograficzne (.stl) powiązane z tym artykułem (Pliki uzupełniające S1‒S5). Prześlij te pliki na komputer z programem do slicera.
  2. Zaimportuj jeden z plików C_atom_sp3, H_atom lub C-C_bond do programu slicer. Jeśli dostępna jest taka opcja, wybierz milimetry jako jednostkę miary. W oprogramowaniu kliknij albo Import przycisk Modele panel okna głównego lub wybierz Importowanie modeli polecenie pod Plik menu rozwijane. Z dostępnego przeglądarką plików okna wybierz odpowiedni plik modelu.
    1. Zaimportuj oba pliki H_atom_dual_bottom oraz H_atom_dual_top dla wydruków atomu wodoru z wykorzystaniem podwójnego ekstrudera. Wyrównaj, pogrupuj i przypisz modele komponentów do odpowiedniego ekstrudera na podstawie docelowego koloru filamentu.
  3. Skaluj zaimportowany model do pożądanego rozmiaru. W tym celu dwukrotnie kliknij model graficzny w głównym oknie wyświetlania lub model z listy w Modele panel okna głównego. Ta czynność otwiera panel edycji modelu, który umożliwia translację, obrót i skalowanie docelowego modelu. Przedstawiono reprezentatywne modele w skalach 50%, 100%, 200% i 320% dla wszystkich części łączących.
    1. Aktywuj struktury wsporcze dla modeli C_atom_sp3 przy skalowaniu powyżej 100%. Struktury wsporcze mogą być stosowane, lecz zazwyczaj nie są konieczne dla wszystkich pozostałych modeli.
    2. Aktywuj strukturę typu raft (platforma) lub brim (obramowanie) dla modeli w skali 100% i mniejszych. Takie struktury nie powinny być konieczne w przypadku większości większych modeli, ponieważ płaska podstawa zapewni wystarczający kontakt z powierzchnią stołu, aby pozostać stabilnie zamocowaną. Rafty pomagają uzyskać dobrze przylegającą pierwszą warstwę wydruku 3D, zatem w przypadku jakichkolwiek trudności ze stabilnością pierwszej wydrukowanej warstwy w dowolnej skali, aktywowanie struktury typu raft może przyczynić się do pomyślniejszego wydruku kosztem materiału potrzebnego na budowę tej struktury.
  4. Powiel modele, aby wygenerować pożądaną macierz modeli, wybierając Duplikowanie modeli opcja z Edytuj menu i wpisując liczbę części modelu w wyświetlonym oknie dialogowym. Rozmieść model(e) w pobliżu środka platformy roboczej, klikając w Wyśrodkuj i ustaw przycisk w Modele panel głównego okna lub poprzez wybranie Wycentrowanie i rozmieszczenie opcja w ramach Edytuj menu rozwijane
    UWAGA: Patrz Rysunek 1 dla przykładowego układu sześciu modeli C_atom_sp3 wydrukowanych z kwasu polimlekowego (PLA). Najbezpieczniej jest drukować pojedyncze elementy pojedynczo, choć drukowanie wielu małych części w tym samym kolorze jest zazwyczaj bardziej efektywne czasowo. Jakość wydruku elementów w układach macierzowych jest często niższa ze względu na konieczność zastosowania większej liczby punktów retrakcji filamentu pomiędzy modelami. Wydruki macierzowe modeli wiążą się również z większym prawdopodobieństwem niepowodzenia, ponieważ jeden element, który odpadnie podczas drukowania, może zakłócić proces drukowania pozostałych części.

Przygotowanie próbki do mikroskopii z sferami na szkiełku, skala 35 mm, układ równowagi statycznej.
Rysunek 1: Atomy lub wiązania o tym samym kolorze mogą być drukowane w postaci macierzy.Aby zwiększyć wydajność drukowania przy niewielkim koszcie jakości, elementy o tym samym kolorze są chętnie drukowane w macierzach. Tutaj sześć atomów węgla z PLA jest drukowanych razem, z których każdy został umieszczony na małej strukturze raftu z otaczającą strukturą brzegu (brim). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Ustaw odpowiednie parametry przetwarzania modelu dla docelowych wydruków, korzystając z opcji Add lub Edit Process Settings w panelu Processes głównego okna.
    UWAGA: Oprogramowanie posiada możliwe do wyboru domyślne ustawienia przetwarzania dla PLA, ABS i innych dostępnych termoplastów podczas dodawania nowego procesu lub edytowania procesu poprzez odpowiednie kliknięcie Add lub Edit Process Settings w panelu Processes głównego okna. Poniżej znajdują się szczegółowe regulacje i uzasadnienia dla poszczególnych części modelu cząsteczkowego.
    1. Ustaw wartość wypełnienia (infill) modelu w zakresie od 15% do 25%. Pozwoli to na zużycie mniejszej ilości filamentu i uzyskanie lżejszych części, przy czym finalnie złożone struktury będą wystarczająco wytrzymałe, aby przetrwać manipulacje fizyczne.
    2. W przypadku obszarów łączników w częściach modelu C-C_bond oraz H_atom, jeśli to możliwe lub w celu zwiększenia trwałości wypustek łączących, zastosuj ustawienie wypełnienia 100%.
    3. Wybierz grubość warstwy druku 0,2 mm lub mniejszą, aby zachować szczegółowość wydruku.
    4. W karcie Layer ustawień procesu ustaw wartość First Layer Speed (prędkość pierwszej warstwy) w zakresie od 25% do 50%. Wolniej drukowana pierwsza warstwa poprawi przyczepność do stołu drukarki i przyczyni się do większej skuteczności całego procesu druku 3D.
    5. Ustaw temperatury ekstrudera i stołu drukarki zgodnie z wartościami zalecanymi dla wybranego materiału filamentu. Podane temperatury są rekomendacjami wyjściowymi.
      1. Dla PLA ustaw Extruder = 215 °C; Bed = brak grzania.
      2. Dla glikolu modyfikowanego tereftalanu polietylenu (PETG) ustaw Extruder = 235 °C i Bed = 80 °C.
      3. Dla akrylonitrylo-butadien-styrenu (ABS) ustaw Extruder = 245 °C i Bed = 110 °C.
    6. Dla części modelu C_atom_sp3 zastosuj dwie obrysówki/powłoki zewnętrzne (Outline/Perimeter Shells) z kierunkiem obrysu „Outside-In” (z zewnątrz do wewnątrz), aby zminimalizować zniekształcenia wydruku u podstawy sfery. Opcje te są dostępne w karcie Layer okna Process settings. Dla wszystkich pozostałych części zaleca się kierunek obrysu „Inside-Out” (z wewnątrz na zewnątrz) w celu uzyskania czystszego wykończenia powierzchni.
    7. W przypadku wykonywania wydruku z podwójnym ekstruderem dla wyrównanych modeli H_atom_dual_bottom i H_atom_dual_top, opcjonalnie włącz funkcję ooze shield (osłona przed wyciekiem). Slicer wygeneruje wówczas cienką ściankę wokół modelu, która zatrzyma kapiący polimer z nieaktywnej, lecz wciąż gorącej końcówki ekstrudera.
  2. Podziel model na warstwy druku (slice), aby wygenerować ścieżkę narzędzia G-Code. Kliknij przycisk Prepare to Print! w głównym oknie lub wybierz opcję Prepare to Print w menu rozwijanym Edit.

2. Przygotowanie drukarki do drukowania części

  1. W przypadku stołów niepodgrzewanych pokryj powierzchnię stołu drukarki niebieską taśmą malarską. W przypadku stołów podgrzewanych pokryj powierzchnię stołu drukarki niebieską taśmą malarską z podkładem z taśmy poliamidowej.
  2. Nanieś cienką warstwę kleju w sztyfcie na niebieską taśmę malarską. Polimer zawarty w kleju poprawi przyczepność wydruku do powierzchni stołu.
  3. Umieść lub zamknij wentylowaną obudowę nad stołem drukarki. Obudowa minimalizuje prądy powietrza, które mogą zakłócić proces wyżarzania wydruku.
    1. W przypadku PLA otwórz wszystkie lub wybrane otwory wentylacyjne, ponieważ preferowane jest szybkie chłodzenie. Jeśli to możliwe, włącz wentylator stołu podczas drukowania.
    2. W przypadku PETG otwórz ograniczoną liczbę otworów wentylacyjnych, ponieważ preferowane jest stopniowe chłodzenie. Wentylator stołu nie jest potrzebny podczas drukowania.
    3. W przypadku ABS otwórz minimalną liczbę otworów wentylacyjnych, ponieważ preferowane jest bardzo powolne chłodzenie. Wyłącz wentylatory stołu podczas drukowania.
  4. Po przygotowaniu drukarki kliknij przycisk „Begin printing over USB”, aby przesłać G-Code do podłączonej drukarki i rozpocząć proces drukowania.

3. Wykańczanie i montaż struktur modelowych

  1. Zdejmij części z platformy drukarki. W przypadku wydruków z podgrzewaną platformą, zdejmij części po ostygnięciu platformy, aby uniknąć odkształcenia modelu podczas oddzielania.
  2. Usuń struktury typu raft lub brim z podstawy części, jeśli były stosowane. Przetrzyj podstawę modelu papierem ściernym o średniej lub drobnej ziarnistości, aby usunąć pozostałe przytwierdzone włókna raftu.
  3. Wyszlifuj podstawę części modelu C_atom_sp3 papierem ściernym o średniej (ziarnistość 120) i bardzo drobnej (ziarnistość 320) gradacji, aby usunąć defekty powierzchni. Wygładź powierzchnię papierem ściernym o bardzo drobnej gradacji. Wypoleruj powierzchnię do pożądanego wykończenia za pomocą ściereczki polerskiej lub tarczy polerskiej przy niskiej prędkości obrotowej.
    UWAGA: Na przykład do polerowania można użyć narzędzia Dremel z tarczą polerską o średnicy 0,5 cala ustawioną na 10 000 obr./min, uważając, aby nie przegrzać wydruku i nie spowodować defektów powierzchni.
    1. PLA: Wydruki zazwyczaj mają lekko błyszczące wykończenie bezpośrednio po drukowaniu, jak pokazano na panelach Rysunku 2. Wykończenie to zostaje zniszczone przez szorstkie szlifowanie, ale połysk można przywrócić poprzez polerowanie.
    2. PETG: Wydruki zazwyczaj mają lekko błyszczące wykończenie, które można szlifować i przywrócić poprzez polerowanie, podobnie jak w przypadku PLA.
    3. ABS: Wydruki zazwyczaj mają matowe lub tylko niewielko błyszczące wykończenie po drukowaniu (Rysunek 3A). Wykończenie o wysokim połysku (Rysunek 3B) można uzyskać poprzez oddzielne zanurzanie części w kąpieli z acetonem przez 1‒2 s i umieszczenie ich w wentylowanym pomieszczeniu do czasu odparowania acetonu i utwardzenia powierzchni, co zazwyczaj trwa od 12 do 24 h.

OSTRZEŻENIE: Aceton jest łatwopalny i należy go stosować oszczędnie w dygestorium lub w bardzo dobrze wentylowanym pomieszczeniu. ABS rozpuszcza się w acetonie, dlatego części z wadami rozwarstwienia warstw wynikającymi ze złego wyżarzania nie powinny być traktowane ciekłym acetonem. Aceton wniknie do modeli poprzez takie wady i rozpuści wypełnienie modelu (Rysunek 3C). Polerowanie oparami acetonu jest procesem wolniejszym, który daje podobny efekt, jednak należy zachować środki ostrożności ze względu na łatwopalność acetonu.

Budowa modelu cząsteczkowego; schemat przedstawiający komponenty A, B, C; montaż struktur cząsteczkowych.
Rycina 2: Wydruki z podwójnego ekstrudera mogą być bardziej dopracowane wizualnie. (A) Wydruki modeli atomów wodoru z podwójnego ekstrudera są wizualnie bardziej spójne niż (B) całkowicie białe wydruki modeli atomów wodoru. (C) Po połączeniu w celu utworzenia pełnych pierścieni cykloheksanu, zmontowane modele z PLA są funkcjonalnie identyczne. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Modele struktury cząsteczkowej, wydruki 3D służące do analizy wiązań chemicznych i geometrii.
Rysunek 3: Modele z ABS można poddać obróbce chemicznej w celu uzyskania błyszczącego wykończenia. (A) Wydruki z ABS mają tendencję do uzyskiwania bardziej rozproszonego lub matowego wyglądu, ale (B) po krótkim zanurzeniu części w acetonie uzyskują one wysoki połysk. (C) Jeśli aceton przedostanie się do wnętrza wydruku poprzez defekty rozwarstwienia, rozpuści on model od wewnątrz, co spowoduje jego zapadnięcie się. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Włóż końce łączników części modelu C-C_bond oraz H_atom do gniazd w częściach modelu C_atom_sp3 zgodnie z pożądaną topologią wiązań. Ściśnij części modelu, aż usłyszysz wyraźne kliknięcie. Po połączeniu wiązanie pojedyncze powinno swobodnie obracać się wokół tego połączenia, nie rozpadając się.
    UWAGA: Pasowanie połączenia jest ciasne, więc w przypadku modeli o skali większej niż 100% może być wymagana znaczna siła. Dostarczone części nie są przeznaczone do rozdzielania po połączeniu, jednak można je rozdzielić, przykładając bardzo dużą siłę. Rotacja wokół połączonego wiązania jest zamierzoną cechą dostarczonych części i modeli. Zablokowanie rotacji wymaga modelu atomu (na przykład węgla o hybrydyzacji sp2) o stałej strukturze w gnieździe połączenia, która wsuwa się pomiędzy odstępy wypustek na końcu modelu wiązania.
  2. Złóż wszystkie wydrukowane części zgodnie z pożądaną strukturą cząsteczkową. Wysyć wszystkie części modelu C_atom_sp3, wypełniając każde wolne gniazdo częścią modelu H_atom. W przypadku pierścienia, takiego jak cykloheksan, zamknij pierścień za pomocą części modelu C-C_bond pomiędzy częściami modelu C_atom_sp3.

Wyniki

Przedstawiony protokół obejmuje szereg potencjalnych opcji konstrukcji interaktywnych modeli molekularnych. Jako podstawowy i jednoczący przykład montażu molekularnego z wykorzystaniem tych elementów modelowych, zdecydowaliśmy się na złożenie interaktywnych struktur cykloheksanu w różnych skalach. Rysunek 2 przedstawia części niezbędne do stworzenia tej struktury: sześć atomów C, sześć wiązań C-C oraz dwanaście atomów H. Te konkretne wydruki zostały wykonane przy użyciu obu drukarek wymienionych w Tabeli materiałów. Droższa drukarka z podwójnym ekstruderem umożliwia produkcję komponentów dwukolorowych; w tym przypadku są to dwukolorowe struktury atomów wodoru ze zmianą koloru w punkcie środkowym wiązania (Rysunek 2A). Jednokolorowe atomy wodoru na Rysunku 2B drukują się o około 50‒60% szybciej ze względu na brak struktury osłony przed wyciekiem (ooze shield) oraz brak retrakcji polimeru podczas przełączania między aktywnymi ekstruderami. Złożone struktury cykloheksanu (Rysunek 2C) są funkcjonalnie równoważne, choć wydruki z podwójnego ekstrudera mają tendencję do wyglądania na nieco bardziej dopracowane.

Modele z PLA przedstawione na Rysunku 2 mają całkiem dobrą powierzchnię, która jest bardziej dopracowana niż w przypadku modeli z ABS bezpośrednio po wydrukowaniu (Rysunek 3A). Obróbka chemiczna modeli z ABS acetonem zapewnia gładkie i wysoko połyskujące wykończenie, które nadaje powierzchni niemal mokry wygląd (Rysunek 3B). Takie wykańczanie może być problematyczne, szczególnie jeśli modele z ABS nie zostały odpowiednio wyżarzone. Duże modele drukowane z ABS są podatne na defekty w postaci rozwarstwienia. Rozwarstwienia występują, gdy poprzednia warstwa ostygnie, zanim ekstruder zdąży przesunąć się i nałożyć kolejną warstwę. W przypadku dużych wydruków z ABS kluczowe jest, aby otoczenie stołu grzewczego drukarki utrzymywało stałą i wysoką temperaturę w celu spowolnienia tempa chłodzenia. Jeśli wydruk z defektem warstwy zostanie zanurzony w acetonie, rozpuszczalnik wniknie do modelu i rozpuści wewnętrzną strukturę wsporczą. Spowoduje to zapadnięcie się modelu od wewnątrz, co pokazano na Rysunku 3C.

Wygląd wizualny jest kwestią drugorzędną względem funkcjonalności struktur modelu. Złącza zostały zaprojektowane w taki sposób, aby umożliwić swobodny obrót wokół wiązań pojedynczych. W celu przetestowania ich użyteczności w różnych układach wydrukowano cztery różne zestawy rozmiarów elementów, w których średnica atomu węgla wynosiła odpowiednio 17.5 mm, 35 mm, 70 mm i 112 mm. Zmontowane struktury cykloheksanu (Rysunek 4) mogły w ten sam sposób zginać się, odkształcać i przyjmować odpowiednie konformery. Najmniejszy z tych modeli był najbardziej podatny na błędy druku, co sprawia, że rozmiar ten może być zbyt mały i nie jest zalecany bez dostosowania względnych rozmiarów części. Jedną z głównych zalet mniejszych wydruków jest szybkość drukowania. Macierz sześciu najmniejszych atomów węgla została wydrukowana w około 2 h, w porównaniu do 10 h wymaganych dla pojedynczego atomu węgla w największym rozmiarze. Mimo dłuższego czasu druku, duże modele mogą być bardziej efektywne w komunikacji podczas wykładów, gdzie trudniej byłoby dostrzec ruch małej struktury z odległości.

Model struktury cząsteczkowej, schemat kulowo-prętowy, wizualizacja chemii organicznej.
Rysunek 4: Modele są funkcjonalne w różnych skalach.Aby zilustrować, w jaki sposób modele mogą być drukowane do różnych celów, złożono modele cykloheksanu w czterech różnych skalach, z których wszystkie zachowują tę samą funkcjonalność. Atomy węgla w największym modelu są większe niż piłka do softbola (średnica 112 mm), natomiast złożony cykloheksan w najmniejszej skali zmieściłby się wewnątrz piłki do softbola. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Aspekt dynamiczny jest jednym z kluczowych atrybutów odróżniających te struktury od innych drukowalnych modeli molekularnych. Ponieważ atomy mogą swobodnie obracać się względem siebie, struktury można odkształcać, aby przeskoczyły do różnych reprezentatywnych konformerów cykloheksanu. Rycina 5 przedstawia strukturę konformacji krzesłowatej, łódkowatej oraz stan przejścia dla interkonwersji między ich odpowiednimi przestrzeniami konfiguracyjnymi. Ten punkt stanu przejścia posiada cztery oznakowane atomy węgla w niemal płaskiej geometrii24,28, co odpowiada strukturze stanu przejścia uzyskiwanej w obliczeniach B3LYP/6-311+G(2d,p)29. Podążając za ruchem częstotliwości urojonej stanu przejścia, lekkie obrócenie 2 w górę i 3 w dół spowoduje przeskoczenie modelu do obszaru konformera łódkowatego, natomiast lekkie obrócenie 2 w dół i 3 w górę przywróci strukturę do konformera krzesłowatego.

Konformery cykloheksanu: konformacja krzesłowa, stan przejściowy półkrzesła, konformacja łódkowa. Modele struktury cząsteczkowej.
Rycina 5: Konformery cykloheksanu są w pełni dostępne. Ponieważ atomy mogą obracać się wokół swoich wiązań, modele mogą przyjmować sterycznie zablokowaną formę krzesła oraz bardziej swobodną konformacyjnie formę łodzi. Stan przejściowy między tymi formami obejmuje cztery prawie koplanarne atomy węgla w pierścieniu. Lekkie obrócenie atomu 2 w górę i atomu 3 w dół spowoduje przejście modelu do konformera łódkowego, natomiast obrócenie atomu 2 w dół i atomu 3 w górę przywróci model do konformera krzesłowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Szacunki energii swobodnej punktów stanu (Supplementary Table S1) z obliczeń B3LYP/6-311+G(2d,p) zoptymalizowanych punktów stanu (Supplementary Files S6‒S9) wskazują na różnicę energii między konformerami skręconej łodzi i łodzi wynoszącą 0,8 kcal/mol, co jest wartością bardzo zbliżoną do energii termicznej w 298,15 K. Sugeruje to, że konwersja między nimi powinna zachodzić niemal swobodnie. Różnica między konformerem krzesła a stanem przejściowym interkonwersji jest ponad dziesięciokrotnie większa, co wskazuje, że krzesło powinno być w porównaniu do nich zablokowane konformacyjnie. Zilustrowano to na Figure 6, która przedstawia szacowaną średnią energię konformera, gdy położenie każdego atomu węgla względem płaszczyzny pierścienia jest rzutowane szerokościowo na sferę w trakcie obliczeń dynamiki molekularnej w fazie gazowej30,31. W konformerze krzesła po lewej stronie energia jest niska, gdy atomy węgla są przesunięte powyżej lub poniżej płaszczyzny pierścienia, ale gwałtownie rośnie, jeśli przesuną się tak, aby zrównać się z płaszczyzną pierścienia. W konformerze łodzi energia konformera jest stosunkowo niska, gdy atomy węgla znajdują się w płaszczyźnie pierścienia (stan skręconej łodzi), a bardziej przesunięty konformer łodzi nie wykazuje drastycznie wyższej energii. Te krajobrazy konfiguracyjne można badać za pomocą wydrukowanych w 3D modeli cykloheksanu, przy czym konformer krzesła może jedynie lokalnie wibrować, podczas gdy konformer łodzi może płynnie falować od jednej pary przeciwległych atomów węgla do następnej.

Schemat wiązania molekularnego; pokazuje zmiany oddziaływań w symulacji środowiska chemicznego.
Rycina 6: Zachowanie modelu jest zgodne z obliczeniami.W konformacjach krzesłowej i łódkowej przemieszczenie szerokościowe atomów węgla względem płaszczyzny pierścienia w trakcie obliczeń dynamiki molekularnej można rzutować na powierzchnię otaczającej sfery. Choć forma krzesłowa jest najbardziej stabilna energetycznie, jest ona zablokowana i może przejść w formę odwróconą jedynie poprzez przejście przez stan przejściowy o wysokiej energii. Zarówno obliczenia, jak i elastyczność wydrukowanego modelu wskazują, że konformacje łódkowa i skręcona łódkowa są oddzielone energią bliską 1 kBT w temperaturze 298.15 K, co umożliwia niemal swobodne przemieszczanie się szerokościowe atomów węgla w tej formie. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Tabela uzupełniająca S1: Szacunki energii swobodnej punktów stanu. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Plik uzupełniający 1. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 3. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 4. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 5. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 6. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 7. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 8. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 9. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Głównym celem tego badania jest przedstawienie protokołu tworzenia dynamicznych modeli molekularnych za pomocą towarowych drukarek 3D. Drukarki te są coraz bardziej dostępne, często nawet bezpłatne w bibliotekach, szkołach i innych miejscach. Rozpoczęcie pracy polega na dokonywaniu wyborów dotyczących zarówno modeli do wydrukowania, jak i materiałów do użycia, a wybór spośród tych opcji może wymagać inspiracji dotyczącej tego, co kreatywna produkcja addytywna może zrobić dla badań i instrukcji. Aby rozwiązać te problemy, przedstawiamy kilka praktycznych zaleceń dotyczących materiałów, sugerowane części modeli, protokół drukowania 3D i przykładowe zastosowanie, z których każde zasługuje na dalszą dyskusję.

Istnieje wiele możliwości wyboru tworzywa termoplastycznego do zastosowania w druku 3D. W prezentowanym protokole wyróżniamy trzy, ponieważ te trzy materiały są obecnie najszerzej dostępne do samodzielnego druku 3D. Wybór może zależeć od tego, jaki materiał jest obsługiwany przez dostępną drukarkę 3D, na przykład wiele obiektów o otwartym dostępie będzie drukować tylko z PLA ze względu na ograniczenia środowiskowe. PLA to biodegradowalny i kompostowalny materiał, który posiada protokół drukowania z łagodnymi ustawieniami temperatury. Zarówno ABS, jak i PETG są mniej przyjazne dla środowiska i generalnie nie nadają się do recyklingu, chociaż PETG jest oparty na wysoce nadającym się do recyklingu politereftalanie etylenu (PET) i może ostatecznie zobaczyć szersze rozpowszechnienie ponownego przetwarzania, takiego jak PET. Zrównoważone praktyki drukowania polegałyby na drukowaniu kilku części na raz, aby zapewnić zarówno jakość druku, jak i sukces druku, przy użyciu jak najmniejszej ilości wyrzucanego materiału (konstrukcje wsporcze, tratwy, osłony przed wyciekiem itp.). PLA może być kruchy, więc jeśli są dostępne, tworzywa termoplastyczne ABS i PETG mogą skutkować wydrukami, które są odpowiednio bardziej sprężyste mechanicznie i mają lepszą przyczepność warstw. Właściwości te mogą być pożądane w przypadku interaktywnego modelu molekularnego, który będzie regularnie manipulowany w warunkach laboratoryjnych lub klasowych.

Przedstawione tutaj modele uwzględniają te względy, choć najpierw zostały zaprojektowane tak, aby współpracowały ze sobą, aby umożliwić dynamiczną konstrukcję modelu molekularnego. W domyślnej skali z powodzeniem połączą się w interaktywne struktury molekularne. Można je łatwo skalować do dużych modeli, chociaż montaż będzie wymagał większej siły, ponieważ bolce łączące są trudniejsze do zniekształcenia przy większych rozmiarach. W przypadku zmniejszania komponentów, zmniejszenie rozmiaru o 50% będzie nadal działać z niewielkimi modyfikacjami, takimi jak zmniejszenie modelu atomu węgla do 48-49% przy jednoczesnym utrzymaniu wiązania i atomu wodoru na poziomie 50%, aby umożliwić ściślejsze połączenia między częściami w wydrukach PLA. Tak małe modele są delikatniejsze i często wymagają struktur tratwy, aby z powodzeniem wydrukować, ale nadal działają jako dynamiczne modele molekularne.

Materiał termoplastyczny i wybrane modele do druku to dwa najważniejsze aspekty protokołu druku 3D. Wybrane tworzywo termoplastyczne będzie dyktować temperaturę, przyczepność, wyżarzanie oraz opcje wykończenia. Jeśli dostępna drukarka 3D nie posiada podgrzewanego stołu, PLA jest jedynym z prezentowanych produktów termoplastycznych, który pozwoli drukować części w sposób powtarzalny. Podczas gdy dostarczone części są zaprojektowane tak, aby drukować z różnych tworzyw termoplastycznych i wytrzymywać dynamiczną manipulację, wydruki ulegają degradacji wraz z użytkowaniem i pękają, często między warstwami druku, pod wpływem rosnącego obciążenia. W takich sytuacjach łatwo i stosunkowo tanio jest wydrukować część zamienną.

Dynamiczna funkcjonalność zespołów molekularnych wydrukowanych z dostarczonych modeli odróżnia tę pracę od innych dostępnych i drukowalnych modeli 3D, które przede wszystkim podkreślają typy połączeń i wiązań. Aspekty dynamiczne zostały przedstawione w niewielkiej części na przykładzie struktury cykloheksanu. Krajobraz konfiguracyjny cykloheksanu jest bezpośrednio dostępny ręcznie przy użyciu tych modeli, a topologie tych krajobrazów są ogólnie zgodne z badaniami obliczeniowymi. W dużej mierze wynika to z szacunku dla specyfiki geometrii molekularnej i stopni swobody w tych fizycznych komponentach modelowania. W komentarzu Linusa Paulinga na temat ich sukcesu w odkryciu struktury α-helisy1 twierdzili, że współcześni im ludzie napotykali trudności wynikające z idealistycznych założeń integralnych i przyjęcia "... Jest to tylko przybliżone przybliżenie wymagań dotyczących odległości międzyatomowych, kątów wiązań i planarności sprzężonej grupy amidowej, jak wynika z naszych badań prostszych substancji". Bardziej ilościowy wgląd w te linie wymaga bardziej szczegółowych informacji niż rozważania podjęte przy budowie tych części modelu, ale te modele i zalecenia stanowią podstawę do ogólnych interaktywnych badań fizycznych układów molekularnych. Modele te są rozszerzeniem zestawów modeli do druku 3D, które produkowaliśmy na potrzeby badań i działań informacyjnych przez kilka lat przed tym raportem, a dodatkowe części składowe, które są kompatybilne zarówno z tymi modelami, jak i opisanym protokołem, są dostępne u autorów, aby umożliwić bardziej zróżnicowane układy wiązań i dynamiczne działanie.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez National Science Foundation (NSF) w ramach grantu nr. CHE-1847583.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ABS: szpula filamentu 1,75 mm, 1 kgMakerBotMP01969Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
ABS: Ciemnoszara szpula filamentu 1,75 mm, 1 kgAmazonB07T6W8TRFUzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
ABS: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kgHatchboxB00J0H6NNMUzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
Aceton koronowy, korona o pojemności 1 galona206539Otrzymywany ze sklepu ze sprzętem (Lowes).
MakerGear M2MakerGearTa drukarka jest droższa niż niedrogie drukarki FDM dostępne w Amazon lub innych witrynach, ale została zaprojektowana z myślą o bardziej spójnej wydajności.
MakerGear M2 DualMakerGearTen model drukarki nie jest już dostępny w sprzedaży. Został zastąpiony nowym modelem, który posiada niezależne podwójne ekstrudery.
Taśma malarska Multi-Surface 1,88 cala3M116480Uzyskiwana ze sklepu z narzędziami (Lowes).
PETG: Różowa szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kgAmazonUzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon). Nie jest już dostępny w tej firmie.
PETG: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kgAmazonUzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon). Nie jest już dostępny w tej firmie.
PLA: szpula z filamentem 1,75 mm, 2 funtyMakerBotMP05775Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
PLA: Szpula z filamentem Cool Grey 1,75 mm, 2 funtyMakerBotMP05784Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
PLA: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 2 funtyMakerBotMP05780Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).
TAŚMA POLIAMIDOWA (ROLKA 2")MakerGearDostarczana z drukarką firmy MakerGear, chociaż można ją uzyskać z różnych źródeł.
Simplify3DSimplify3DSlicer softward używany w wydrukach. To oprogramowanie można kupić w firmie lub można je kupić od MakerGear i innych producentów drukarek 3D.

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Druk 3Dmodele molekularnemontaż cykloheksanupliki stereolitograficzneprogram sliceratom węgla sp3atom wodoruwiązanie węgiel-węgielprzygotowanie stołu drukarkiobróbka acetonem
Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.