Method Article

Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D

DOI:

10.3791/61487

⸱

August 13th, 2020

 , 
1Department of Chemistry, Oklahoma State University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie plików modeli do druku 3D

UWAGA: Duża liczba drukarek 3D oraz darmowego i komercyjnego oprogramowania do drukowania dostarcza dokładnych wskazówek wykraczających poza zakres tego artykułu. Ogólny proces protokołu i zalecenia są przedstawione tutaj, ze szczególnymi rozważaniami dotyczącymi reprezentatywnych modeli pokazanych z wymienionym oprogramowaniem i drukarkami 3D (patrz Tabela materiałów). Dedykowane wskazówki producenta dotyczące kombinacji drukarki czytnika i oprogramowania do krojenia mają pierwszeństwo przed podanymi zaleceniami.

  1. Pobierz dodatkowe pliki stereolitografii (.stl) powiązane z tym artykułem (Pliki uzupełniające S1\u2012S5). Przekaż te pliki do komputera za pomocą programu slicer.
  2. Zaimportuj jeden z plików C_atom_sp3, H_atom lub C-C_bond do programu slicer. Użyj formatu milimetrowego dla jednostek, jeśli opcja jest dostępna. W oprogramowaniu kliknij przycisk Importuj w panelu Modele w oknie głównym lub wybierz polecenie Importuj modele z menu rozwijanego Plik. Wybierz odpowiedni plik modelu z wynikowej przeglądarki plików.
    1. Importuj zarówno pliki H_atom_dual_bottom, jak i H_atom_dual_top, aby uzyskać wydruki atomu wodoru z podwójnego ekstrudera. Wyrównaj, pogrupuj i przypisz modele komponentów do odpowiedniego ekstrudera na podstawie docelowego koloru filamentu.
  3. Przeskaluj zaimportowany model do żądanego rozmiaru. W tym celu kliknij dwukrotnie model graficzny na ekranie głównym lub model znajdujący się na liście w panelu Modele okna głównego. Ta czynność powoduje otwarcie panelu edycji modelu, który umożliwia translację, obracanie i skalowanie modelu docelowego. Reprezentatywne modele są prezentowane w skali 50%, 100%, 200% i 320% dla wszystkich części łączących.
    1. Aktywuj konstrukcje podporowe dla modeli C_atom_sp3 ze skalami większymi niż 100%. Można stosować konstrukcje wsporcze, ale na ogół nie są one konieczne dla wszystkich innych modeli.
    2. Aktywuj konstrukcję tratwy lub ronda dla modeli w 100% i mniejszej skali. Takie konstrukcje nie powinny być konieczne w przypadku większości większych modeli, ponieważ płaska podstawa będzie miała wystarczający kontakt z powierzchnią łóżka, aby pozostać zamocowana na swoim miejscu. Tratwy pomagają zapewnić dobrze przylegającą pierwszą warstwę do wydruku 3D, więc jeśli wystąpią jakiekolwiek trudności ze stabilnością pierwszej wydrukowanej warstwy w dowolnej skali, aktywacja struktury tratwy może prowadzić do bardziej udanych wydruków kosztem materiału potrzebnego do konstrukcji tratwy.
  4. Zduplikuj modele, aby wygenerować tablicę modeli zgodnie z potrzebami, wybierając opcję Zduplikuj modele z menu Edycja i wprowadzając liczbę części modelu w wynikowym oknie dialogowym. Ułóż modele w pobliżu środka platformy konstrukcyjnej, klikając przycisk Wyśrodkuj i rozmieść w panelu Modele w oknie głównym lub wybierając opcję Wyśrodkuj i rozmieść w menu rozwijanym Edytuj.
    UWAGA: Zobacz Rysunek 1 dla przykładowego układu sześciu modeli C_atom_sp3 wydrukowanych z użyciem kwasu polimlekowego (PLA). Najbezpieczniej jest drukować pojedynczą część na raz, chociaż drukowanie wielu małych części tego samego koloru jest zwykle bardziej efektywne czasowo. Jakość druku części w matrycach jest często niższa ze względu na potrzebę większej liczby punktów wciągania filamentu między modelami. Wydruki tablicowe modeli mają również zwiększone prawdopodobieństwo awarii, ponieważ jedna upadła część podczas drukowania może zakłócać drukowanie innych części.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Atomy lub wiązania o podobnym kolorze mogą być drukowane jako tablice. Aby zwiększyć wydajność drukowania przy niewielkim koszcie jakości, części o podobnym kolorze są łatwo drukowane w tablicach. Tutaj sześć atomów węgla PLA jest drukowanych razem, każdy umieszczony na małej konstrukcji tratwy z zarysowaną strukturą brzegu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Ustaw odpowiednie ustawienia przetwarzania modelu dla wydruków docelowych za pomocą opcji Dodaj lub edytuj ustawienia procesu w panelu Procesy w oknie głównym.
    UWAGA: Używane oprogramowanie ma możliwość wyboru domyślnych ustawień przetwarzania dla PLA, ABS i innych dostępnych tworzyw termoplastycznych podczas dodawania nowego procesu lub edycji procesu, odpowiednio klikając przycisk Dodaj lub Edytuj ustawienia procesu w panelu Procesy w oknie głównym. Poniżej znajdują się konkretne korekty i uzasadnienie dla dostarczonych części modelu molekularnego.
    1. Ustaw wartość wypełnienia modelu w zakresie od 15% do 25%. Spowoduje to użycie mniejszej ilości włókna i powstanie lżejszych części, ale ostatecznie zmontowane struktury będą wystarczająco mocne, aby przetrwać fizyczną manipulację.
    2. Jeśli to możliwe lub w razie potrzeby, należy użyć ustawień 100% wypełnienia dla regionów łączników C-C_bond i H_atom części modelu, aby zwiększyć trwałość zaczepów łącznika.
    3. Wybierz grubość warstwy wydruku 0,2 mm lub mniejszą, aby zachować szczegóły druku.
    4. Ustaw prędkość pierwszej warstwy na wartość od 25 do 50% w zakładce Warstwa w ustawieniach procesu. Powoli drukowana pierwsza warstwa poprawi przyczepność do stołu roboczego i zaowocuje bardziej udanymi ogólnymi wydrukami 3D.
    5. Ustaw temperaturę ekstrudera drukarki i łoża drukarki na wartości zalecane dla wybranego materiału filamentu drukarki. Podane temperatury są zaleceniami dotyczącymi punktu wyjścia.
      1. Dla PLA ustaw Extruder = 215 °C; Łóżko = Brak ogrzewania.
      2. Dla zestawu politereftalanu etylenu modyfikowanego glikolem (PETG) Wytłaczarka = 235 °C i Złoże = 80 °C.
      3. Dla zestawu akrylonitryl-butadien-styren (ABS) Extruder = 245 °C i Bed = 110 °C.
    6. W przypadku C_atom_sp3 części modelu należy użyć dwóch powłok konturu/obwodu z kierunkiem obrysu "na zewnątrz do wewnątrz", aby zminimalizować zniekształcenia wydruku na dole sfery. Opcje te są dostępne w zakładce Warstwa w oknie Ustawienia procesu. W przypadku wszystkich innych części zalecany jest kierunek konturu "Inside-Out" w celu uzyskania czystszego wykończenia powierzchni.
    7. Jeśli wykonujesz wydruk z podwójnego ekstrudera wyrównanych modeli H_atom_dual_bottom i H_atom_dual_top, opcjonalnie włącz opcję osłony szlamu. Slicer następnie wygeneruje geometrię cienkościenną wokół modelu, która wychwyci kapiący polimer z nieaktywnej, ale wciąż gorącej końcówki ekstrudera.
  2. Pokrój model na warstwy wydruku, aby wygenerować ścieżkę narzędzia G-Code. Kliknij przycisk Przygotuj do druku! w oknie głównym lub wybierz opcję Przygotuj do druku z menu rozwijanego Edytuj.

2. Przygotowanie drukarki do drukowania części

  1. Pokryj powierzchnię stołu drukarki niebieską taśmą malarską do nieogrzewanych stołów. Pokryj powierzchnię stołu drukarki niebieską taśmą malarską i spodnią warstwą taśmy poliimidowej do podgrzewanych stołów.
  2. Nałóż cienką warstwę kleju w sztyfcie na niebieską taśmę malarską. Polimer w sztyfcie kleju poprawi przyczepność wydruku do powierzchni stołu.
  3. Umieść lub zamknij wentylowaną obudowę nad stołem drukarki. Obudowa minimalizuje prądy powietrza, które mogą zakłócać wyżarzanie druku.
    1. W przypadku PLA otwórz wszystkie/wszystkie porty 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 łóżka nie jest potrzebny podczas drukowania.
    3. W przypadku ABS otwórz minimalną liczbę otworów wentylacyjnych, ponieważ preferowane jest bardzo stopniowe chłodzenie. Wyłącz wentylatory stołu podczas drukowania.
  4. Po przygotowaniu drukarki kliknij przycisk "Rozpocznij drukowanie przez USB", aby wysłać G-Code do podłączonej drukarki i rozpocząć proces drukowania.

3. Wykończenie i montaż struktur modelu

  1. Wyjmij części z łóżka drukarki. W przypadku wydruków z podgrzewanego stołu, usuń części po ostygnięciu stołu, aby uniknąć zniekształcenia modelu podczas separacji.
  2. Usuń konstrukcje tratwy lub ronda z podstawy części, jeśli są używane. Przetrzyj podstawę części modelu papierem ściernym o średniej lub drobnej ziarnistości, aby usunąć wszelkie pozostałe dołączone włókna tratwy.
  3. Przeszlifuj podstawę części modelu C_atom_sp3 papierem ściernym o średniej ziarnistości (120) lub bardzo drobnym (ziarnistość 320), aby usunąć wady powierzchni. Wygładź powierzchnię papierem ściernym o bardzo drobnej ziarnistości. Wypoleruj powierzchnię do żądanego wykończenia za pomocą ściereczki polerskiej lub tarczy buforowej przy ustawieniu niskich obrotów na minutę.
    UWAGA: Na przykład narzędzie Dremel z tarczą buforową o średnicy 0,5 cala ustawioną na 10 000 obr./min może być używane do polerowania, uważając, aby nie przegrzać wydruku i nie spowodować wad powierzchni.
    1. PLA: Wydruki zazwyczaj mają lekko błyszczące wykończenie po wydrukowaniu, jak pokazano na panelach Rysunek 2. To wykończenie jest zepsute przez zgrubne szlifowanie, ale błyszczące wykończenie można przywrócić za pomocą polerowania.
    2. PETG: Wydruki mają zazwyczaj lekko błyszczące wykończenie, które można szlifować i przywracać za pomocą polerowania, jak w przypadku PLA.
    3. ABS: Wydruki mają zazwyczaj matowe lub tylko nieznacznie błyszczące wykończenie po wydrukowaniu (Rysunek 3A). Wykończenie na wysoki połysk (Rysunek 3B) można osiągnąć, zanurzając części oddzielnie w kąpieli acetonowej na 1\u20122 s i umieszczając je w wentylowanym miejscu, aż aceton odparuje, a powierzchnia zastygnie w ciągu zwykle 12\u201224 h.

UWAGA: Aceton jest łatwopalny i powinien być stosowany oszczędnie w dygestoriach lub bardzo dobrze wentylowanym miejscu. ABS rozpuszcza się w acetonie, dlatego części z wadami separacji warstw z powodu złego wyżarzania nie powinny być traktowane ciekłym acetonem. Aceton dostanie się do modeli przez takie defekty i rozpuści wypełnienie modelu (Rysunek 3C). Polerowanie parami acetonu jest wolniejszym procesem, który da podobny efekt, chociaż należy zachować środki ostrożności, biorąc pod uwagę palność acetonu.

figure-protocol-2
Ilustracja 2: wydruki z podwójnym ekstruderem mogą być bardziej wyrafinowane wizualnie. (A) Wydruki atomów wodoru w modelach z podwójnym ekstruderem są wizualnie bardziej spójne niż (B) wszystkie wydruki z atomami wodoru w białym modelu. (C) Po połączeniu ze sobą w celu utworzenia kompletnych pierścieni cykloheksanu, zmontowane modele PLA są funkcjonalnie identyczne. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Ilustracja 3: modele ABS mogą być przetwarzane chemicznie w celu uzyskania błyszczącego wykończenia. (A) Wydruki modeli ABS mają zwykle bardziej rozproszony lub matowy wygląd, ale (B) po chemicznej obróbce części za pomocą krótkiego zanurzenia w acetonie uzyskują wykończenie o wysokim połysku. (C) Jeśli aceton dostanie się do wnętrza wydruku przez wady separacji warstw, aceton rozpuści model od wewnątrz na zewnątrz, powodując jego zapadnięcie się. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Włóż końcówki łączników części modelu C-C_bond i H_atom do gniazd na C_atom_sp3 częściach modelu zgodnie z żądaną topologią wiązania. Ściśnij części modelu razem, aż usłyszysz słyszalne kliknięcie. Po połączeniu pojedyncze wiązanie powinno swobodnie obracać się wokół tego połączenia, nie rozpadając się.
    UWAGA: Pasowanie połączenia jest ciasne, więc może to wymagać znacznej siły w przypadku modeli ze skalowaniem większym niż 100%. Dostarczone części nie są przeznaczone do rozdzielania po połączeniu ich ze sobą, ale można je rozdzielić przy użyciu bardzo dużej przyłożonej siły. Obrót wokół połączonego wiązania jest pożądaną funkcją dla dostarczonych części i modeli. Rotacja blokująca wymaga modelu atomowego (na przykład zhybrydyzowanego węgla sp2) ze stałą strukturą w gnieździe połączeniowym, która wstawia się między odstępy wypustek na końcu modelu wiązania.
  2. Zmontuj wszystkie wydrukowane części zgodnie z pożądaną strukturą molekularną. Nasącz wszystkie C_atom_sp3 części modelu, wypełniając dowolne otwarte gniazdo H_atom częścią modelu. W przypadku pierścienia, takiego jak cykloheksan, zamknij pierścień za pomocą części modelu C-C_bond między C_atom_sp3 częściami modelu.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dostarczony protokół obejmuje różne potencjalne opcje budowy interaktywnych modeli molekularnych. Jako podstawowy i jednoczący przykład montażu molekularnego przy użyciu tych części modelu, zdecydowaliśmy się na montaż interaktywnych struktur cykloheksanu w różnych skalach. Rysunek 2 pokazuje części niezbędne do tej struktury: sześć atomów C, sześć wiązań C-C i dwanaście atomów H. Te konkretne odbitki zostały wykonane przy użyciu obu drukarek wymienionych w Tabeli Materiałów. Droższa drukarka z podwójnym ekstruderem umożliwia produkcję komponentów dwukolorowych; tutaj dwukolorowe struktury atomu wodoru ze zmianą koloru w punkcie środkowym wiązania (Rysunek 2A). Jednokolorowe wodory w Rysunek 2B drukują się w około 50-60% krótszym czasie ze względu na brak struktury osłony szlamu i brak retrakcji polimeru podczas przełączania między aktywnymi ekstruderami. Zmontowane struktury cykloheksanu (Rysunek 2C) są funkcjonalnie równoważne, chociaż wydruki z podwójnym ekstruderem wydają się wyglądać na umiarkowanie bardziej wyrafinowane.

Modele PLA w Rysunek 2 mają dość ładne wykończenie, które jest bardziej wyrafinowane niż modele ABS prosto z drukarki (Rysunek 3A). Chemiczna obróbka modeli ABS acetonem daje gładkie i błyszczące wykończenie, które prawie nadaje powierzchni mokry wygląd (Rysunek 3B). Takie wykończenie może być kłopotliwe, szczególnie jeśli modele ABS nie są dobrze wyżarzane. Duże modele drukowane z ABS są podatne na wady separacji warstw. Wady separacji warstw występują, gdy poprzednia warstwa ostygnie, zanim ekstruder będzie mógł przejść przez nią, aby położyć następną warstwę. W przypadku dużych wydruków ABS niezwykle ważne jest, aby środowisko wokół stołu grzewczego drukarki utrzymywało równomierną i ciepłą temperaturę, aby spowolnić tempo chłodzenia. Jeśli wydruk z defektem warstwy zostanie zanurzony w acetonie, aceton dostanie się do modelu i rozpuści wewnętrzną strukturę nośną. Spowoduje to zwinięcie modelu od środka, jak pokazano na Rysunek 3C.

Wizualnie wyróżniający się wygląd jest drugorzędny w stosunku do funkcjonalności struktur modelu. Łączniki zostały zaprojektowane tak, aby umożliwić swobodny obrót wokół pojedynczych wiązań. Aby przetestować ich użyteczność w różnych systemach, wydrukowano cztery zestawy różnych rozmiarów części, o średnicy atomu węgla od 17,5 mm, 35 mm, 70 mm i 112 mm. Zmontowane struktury cykloheksanu (Rysunek 4) były w stanie zginać, zniekształcać i przyjmować odpowiednie konformery w ten sam sposób. Najmniejszy z tych modeli był najbardziej podatny na wady druku, co sprawiało, że ten rozmiar był potencjalnie zbyt mały i nie był zalecany bez dostosowania względnego rozmiaru części. Jedną z głównych zalet mniejszych wydruków jest szybkość drukowania. Tablica sześciu najmniejszych atomów węgla wydrukowana w ciągu około 2 godzin, w porównaniu do 10 godzin wymaganych dla pojedynczego atomu węgla o największym rozmiarze. Chociaż drukowanie jest powolne, duże modele są potencjalnie bardziej efektywne w komunikacji w warunkach wykładowych, gdzie trudno byłoby zobaczyć ruch małej struktury z daleka.

figure-results-1
Ilustracja 4: modele działają w różnych skalach. Aby zilustrować, w jaki sposób modele mogą być drukowane do różnych celów, modele cykloheksanu zostały zmontowane w czterech różnych skalach i wszystkie zachowują tę samą funkcjonalność. Atomy węgla największego z nich są większe niż piłka do softballu (średnica 112 mm), podczas gdy zmontowany cykloheksan najmniejszego może zmieścić się w piłce do softballu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Aspekt dynamiczny jest jednym z kluczowych atrybutów, które odróżniają te struktury od innych drukowalnych modeli molekularnych. Ponieważ atomy mogą łatwo obracać się względem siebie, struktury mogą być zniekształcone, aby zatrzasnąć się w różnych reprezentatywnych konformerach cykloheksanu. Rysunek 5 pokazuje strukturę krzesła, łodzi i stanu przejścia dla konwersji między ich odpowiednimi przestrzeniami konfiguracyjnymi. Ten punkt stanu przejściowego ma cztery oznaczone atomy węgla w geometrii prawie płaskiej24,28, ta sama struktura stanu przejścia, którą osiąga się wykonując obliczenia B3LYP/6-311+G(2d,p)29. Podążając za tym samym wyimaginowanym ruchem częstotliwości stanu przejścia, lekkie przekręcenie 2 w górę i 3 w dół spowoduje wciągnięcie modelu w krajobraz kształtera łodzi, podczas gdy lekkie przekręcenie 2 w dół i 3 w górę przywróci konstrukcję do konformera krzesła.

figure-results-2
Rysunek 5: Konformery cykloheksanu są w pełni dostępne. Ponieważ atomy mogą obracać się wokół swoich wiązań, modele mogą przyjąć sterycznie zablokowane krzesło i bardziej konformacyjnie wolne formy łodzi. Stan przejściowy między tymi formami obejmuje cztery prawie współpłaszczyznowe atomy węgla w pierścieniu. Lekkie przekręcenie 2 w górę z 3 w dół spowoduje wsunięcie modelu do konformera łodzi, podczas gdy przekręcenie 2 w dół z 3 w górę spowoduje powrót modelu do konformera krzesła. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Szacunki energii swobodnej w punkcie stanu (Tabela uzupełniająca S1) z obliczeń B3LYP/6-311+G(2d,p) zoptymalizowanych punktów stanu (Pliki uzupełniające S6\u2012S9) dają różnicę między konformerami twist-boat i boat wynoszącą 0,8 kcal/mol, co jest bardzo bliskie energii cieplnej na poziomie 298,15 K. Sugeruje to, że konwersja między nimi powinna być próbkowana niemal swobodnie. Różnica między konformerem krzesła a stanem przejściowym konwersji jest ponad dziesięciokrotnie większa, co wskazuje, że krzesło powinno być konformacyjnie zablokowane w porównaniu. Jest to zilustrowane na rysunku Rysunek 6, który pokazuje szacowaną średnią energię formera, gdy położenie każdego atomu węgla względem płaszczyzny pierścienia jest równoleżnikowo rzutowane na kulę w trakcie obliczania dynamiki molekularnej fazy gazowej30,31. W konformerze krzesła po lewej stronie energia jest niska, gdy atomy węgla są przemieszczone powyżej lub poniżej płaszczyzny pierścienia, ale dramatycznie wzrasta, jeśli przemieszczają się, aby wyrównać się z płaszczyzną pierścienia. W konformerze łodzi energia konformera jest stosunkowo niska, gdy węgiel znajduje się w płaszczyźnie pierścienia (stan skrętnej łodzi), a bardziej przemieszczony konformer łodzi nie ma drastycznie wyższej energii. Te krajobrazy konfiguracji można badać za pomocą wydrukowanych w 3D modeli cykloheksanu, przy czym konformer krzesła jest w stanie wibrować tylko lokalnie, podczas gdy konformer łodzi może płynnie falować od jednej pary przeciwległych atomów węgla do drugiej.

figure-results-3
Rysunek 6: Zachowanie modelu jest zgodne z obliczeniami. W stanach konformatora krzesła i łodzi równoleżnikowe przemieszczenie atomów węgla wokół płaszczyzny pierścienia w trakcie obliczeń dynamiki molekularnej może być rzutowane na powierzchnię otaczającej kuli. Podczas gdy forma krzesła jest najbardziej stabilna energetycznie, jest zablokowana i może przekształcić się w formę odwróconą tylko poprzez przejście przez stan przejścia o wysokiej energii. Zarówno obliczenia, jak i elastyczność wydrukowanego modelu wskazują, że konformery łodzi i twist-boat są oddalone od siebie o blisko 1 kBT przy 298,15 K, co pozwala na prawie swobodne równoleżnikowe przemieszczenie atomów węgla w tej formie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela uzupełniająca S1: Podaj szacunki energii bez punktów. 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. Kliknij 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. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

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

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

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

3D PrintingMolecular ModelsCyclohexane AssemblyStereolithography FilesSlicer ProgramCarbon Atom SP3Hydrogen AtomCarbon Carbon BondPrinter Bed PreparationAcetone Treatment

Related Articles