Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D
August 13th, 2020
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.
Druk 3D jest coraz bardziej dostępną i dostępną technologią. Protokół ten może być używany do drukowania i składania fizycznych modeli molekularnych, które zachowują dynamiczne właściwości rzeczywistych układów molekularnych. Interaktywność z modelami molekularnymi zwykle ogranicza się do pokazania łączności.
Druk 3D może otworzyć eksplorację konformacji w tym pociągu i ruchu molekularnego w różnych skalach. Trudno jest oddać ruch w statycznym manuskrypcie. Dlatego cenna jest możliwość zobaczenia, w jaki sposób modele mogą być drukowane, składane i manipulowane.
Aby przygotować pliki modelu do druku 3D, należy pobrać dostarczone dodatkowe pliki stereolitografii i przesłać je do komputera z programem slicer. Zaimportuj jeden z plików carbon_atom_SP3, atomów wodoru lub wiązań węgiel-węgiel do programu slicer i wybierz format milimetrowy dla jednostek, jeśli opcja jest dostępna. Kliknij przycisk Importuj w panelu modeli w oknie głównym i zaimportuj zarówno pliki atomu wodoru z podwójnym dnem, jak i z podwójnej góry atomu wodoru z przeglądarki plików wynikowych.
Aby przeskalować zaimportowany model do żądanego rozmiaru, kliknij dwukrotnie model graficzny na ekranie głównym, aby otworzyć panel edycji modelu, który umożliwia translację, obracanie i skalowanie modelu docelowego. Aby zduplikować modele w celu wygenerowania szyku modelu, wybierz opcję Zduplikuj modele z menu Edycja i wprowadź liczbę części modelu w oknie dialogowym. Kliknij przycisk Wyśrodkuj i Rozmieść w panelu modeli w oknie głównym, aby rozmieścić modele w pobliżu środka platformy konstrukcyjnej, a następnie użyj opcji Dodaj z panelu procesu okna głównego, aby ustawić odpowiednie ustawienia przetwarzania modelu dla wydruków docelowych.
Następnie pokrój model na warstwy drukowania, aby wygenerować ścieżkę narzędzia G-Code i kliknij przycisk Przygotuj do druku w oknie głównym. Aby przygotować drukarkę do wydruku modelu, należy pokryć powierzchnię nieogrzewanego stołu drukarki niebieską taśmą malarską i za pomocą kleju w sztyfcie nałożyć cienką warstwę polimeru na taśmę. Następnie umieść wentylowaną obudowę nad łożem drukarki, aby zminimalizować prądy powietrza, które mogą zakłócać wyżarzanie wydruku.
Po wydrukowaniu wyjmij wydrukowane części z łoża drukarki i usuń struktury tratwy lub ronda z podstawy części, jeśli są używane. Przetarto podstawę części modelu papierem ściernym o średniej lub drobnej ziarnistości, aby usunąć wszelkie pozostałe dołączone włókna tratwy. Przeszlifuj podstawę części modelu carbon_atom_SP3 papierem ściernym o ziarnistości od 120 do 320, aby usunąć wszelkie wady powierzchni.
Następnie wygładź powierzchnię papierem ściernym o ziarnistości 320 i użyj szmatki do polerowania, aby wypolerować powierzchnię do pożądanego wykończenia. Gdy wszystkie elementy zostaną wypolerowane, włóż końce łącznika wiązania węgiel-węgiel i części modelu atomu wodoru do gniazd na częściach modelu carbon_atom_SP3 zgodnie z żądaną topologią wiązania. Ściskanie części modelu razem, aż usłyszysz słyszalne kliknięcie.
Po połączeniu pojedyncze wiązanie powinno swobodnie obracać się wokół tego połączenia bez rozdzielania, a następnie zmontować resztę wydrukowanych części zgodnie z pożądaną strukturą molekularną, wypełniając dowolne otwarte gniazdo częścią modelu atomu wodoru, aby nasycić wszystkie carbon_atom_SP3 części modelu. W przypadku cykloheksanu przypominającego pierścień, umieść pierścień z częścią modelu o wiązaniu węgiel-węgiel między carbon_atom_SP3 częściami modelu. Poniżej przedstawiono części niezbędne do skonstruowania interaktywnego modelu molekularnego.
Sześć atomów węgla, sześć wiązań węgiel-węgiel i 12 atomów wodoru. Te jednokolorowe wodory drukują się w czasie krótszym o około 50 do 60% ze względu na brak nowej struktury osłony szlamu i brak retrakcji polimeru podczas przełączania między aktywnymi ekstruderami. Zmontowane struktury cykloheksanu są funkcjonalnie równoważne, nawet jeśli wydruki z podwójnego ekstrudera wydają się wyglądać na umiarkowanie bardziej wyrafinowane.
Modele PLA są stosunkowo bardziej wyrafinowane niż modele ABS prosto z drukarki. Obróbka acetonem zapewnia gładkie wykończenie o wysokim połysku. Należy pamiętać, że aceton może również rozpuszczać wewnętrzne struktury podporowe i modele z defektami warstw, jednak powodując zawalenie się modelu.
Wszystkie zmontowane struktury cykloheksanu są w stanie zginać, zniekształcać i przyjmować odpowiednie konformery w ten sam sposób. Najmniejszy z tych modeli jest najbardziej podatny na wady druku, co sprawia, że ten rozmiar jest potencjalnie zbyt mały i nie jest zalecany bez dostosowania względnego rozmiaru części. Chociaż drukowanie jest powolne, duże modele są potencjalnie bardziej efektywne w komunikacji podczas wykładów.
Ponieważ atomy mogą łatwo obracać się względem siebie, struktury mogą być zniekształcone, aby zatrzasnąć się w różnych reprezentatywnych konformerach cykloheksanu. Podobnie jak w symulacjach molekularnych, basen konformacyjny krzesła jest ograniczony, co ogranicza dostępne ruchy, podczas gdy struktury w basenie łodzi mogą płynnie uzyskiwać dostęp do różnych konformacji łodzi i łodzi skrętnych. Przygotowanie stołu drukarki jest niezbędne, aby zapewnić dobrze przylegającą pierwszą warstwę.
Bez tej warstwy wydruk prawdopodobnie się nie powiedzie. Protokół ten podaje model cykloheksanu jako przykład, ale każdy interaktywny model nasyconych węglowodorów można wydrukować i złożyć z dostarczonymi plikami stl.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia zastosowanie technologii druku 3D do tworzenia interaktywnych modeli molekularnych, które naśladują dynamiczne właściwości rzeczywistych układów molekularnych. Montując te modele, naukowcy mogą badać konformację molekularną i ruch w namacalny sposób.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Technologia druku 3D
- Modelowanie molekularne
- Biofizyka
Tło
- Druk 3D staje się coraz bardziej dostępny dla zastosowań naukowych.
- Tradycyjne modele molekularne często brakuje interaktywności i dynamicznego przedstawienia.
- Fizyczne modele mogą poprawić zrozumienie struktur i zachowań molekularnych.
- Statyczne przedstawienia w manuskryptach nie skutecznie przekazują ruch molekularny.
Cel badania
- Przedstawić, jak druk 3D może być wykorzystany do tworzenia funkcjonalnych modeli molekularnych.
- Umożliwić eksplorację konformacji i interakcji molekularnych.
- Dostarczyć protokół przygotowywania i montażu tych modeli.
Stosowane metody
- Pobieranie i przygotowywanie plików stereolitograficznych do druku 3D.
- Wykorzystanie programu slicer do dostosowania wymiarów i ustawień modelu.
- Drukowanie modeli przy użyciu odpowiednich materiałów i technik.
- Montaż wydrukowanych części w celu stworzenia interaktywnych struktur molekularnych.
Główne wyniki
- Skutecznie wydrukowano i zmontowano modele cykloheksanu i innych węglowodorów.
- Modele wykazały elastyczność i zdolność do reprezentowania różnych konformacji.
- Różne materiały (PLA vs. ABS) wpływały na jakość i wykończenie modeli.
- Dostarczono szczegółowy protokół replikacji procesu w innych warunkach.
Wnioski
- Wydrukowane modele molekularne poprawiają zrozumienie dynamiki molekularnej.
- Interaktywne modele mogą być skutecznie wykorzystywane w kontekstach edukacyjnych i badawczych.
- Przyszłe zastosowania mogą obejmować szerszy zakres układów i struktur molekularnych.
Często zadawane pytania
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.
