Name: Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 15 s
Description: Poznaj technologię druku 3D do tworzenia interaktywnych modeli molekularnych zachowujących dynamikę rzeczywistych układów. Naucz się przygotowywać pliki STL, drukować części z PLA lub ABS oraz montować struktury cykloheksanu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

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.
<ol>
	<li>Pobierz uzupełniające pliki stereolitograficzne (.stl) powiązane z tym artykułem (Pliki uzupełniające S1‒S5). Prześlij te pliki na komputer z programem do slicera.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
<img alt="Przygotowanie próbki do mikroskopii z sferami na szkiełku, skala 35 mm, układ równowagi statycznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig01large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="5">
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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%.</li>
		<li>Wybierz grubość warstwy druku 0,2 mm lub mniejszą, aby zachować szczegółowość wydruku.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Ustaw temperatury ekstrudera i stołu drukarki zgodnie z wartościami zalecanymi dla wybranego materiału filamentu. Podane temperatury są rekomendacjami wyjściowymi.
		<ol>
			<li>Dla PLA ustaw Extruder = 215 °C; Bed = brak grzania.</li>
			<li>Dla glikolu modyfikowanego tereftalanu polietylenu (PETG) ustaw Extruder = 235 °C i Bed = 80 °C.</li>
			<li>Dla akrylonitrylo-butadien-styrenu (ABS) ustaw Extruder = 245 °C i Bed = 110 °C.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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.</li>
</ol>
2. Przygotowanie drukarki do drukowania części
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Nanieś cienką warstwę kleju w sztyfcie na niebieską taśmę malarską. Polimer zawarty w kleju poprawi przyczepność wydruku do powierzchni stołu.</li>
	<li>Umieść lub zamknij wentylowaną obudowę nad stołem drukarki. Obudowa minimalizuje prądy powietrza, które mogą zakłócić proces wyżarzania wydruku.
	<ol>
		<li>W przypadku PLA otwórz wszystkie lub wybrane otwory wentylacyjne, ponieważ preferowane jest szybkie chłodzenie. Jeśli to możliwe, włącz wentylator stołu podczas drukowania.</li>
		<li>W przypadku PETG otwórz ograniczoną liczbę otworów wentylacyjnych, ponieważ preferowane jest stopniowe chłodzenie. Wentylator stołu nie jest potrzebny podczas drukowania.</li>
		<li>W przypadku ABS otwórz minimalną liczbę otworów wentylacyjnych, ponieważ preferowane jest bardzo powolne chłodzenie. Wyłącz wentylatory stołu podczas drukowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po przygotowaniu drukarki kliknij przycisk „Begin printing over USB”, aby przesłać G-Code do podłączonej drukarki i rozpocząć proces drukowania.</li>
</ol>
3. Wykańczanie i montaż struktur modelowych
<ol>
	<li>Zdejmij części z platformy drukarki. W przypadku wydruków z podgrzewaną platformą, zdejmij części po ostygnięciu platformy, aby uniknąć odkształcenia modelu podczas oddzielania.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>PETG: Wydruki zazwyczaj mają lekko błyszczące wykończenie, które można szlifować i przywrócić poprzez polerowanie, podobnie jak w przypadku PLA.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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.
<img alt="Budowa modelu cząsteczkowego; schemat przedstawiający komponenty A, B, C; montaż struktur cząsteczkowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Modele struktury cząsteczkowej, wydruki 3D służące do analizy wiązań chemicznych i geometrii." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="4">
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+proteins%3A+Two+hydrogen-bonded+helical+configurations+of+the+polypeptide+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 37 (4), 205-211 (1951).</li>
<li>Claussen, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suggested+Structures+of+Water+in+Inert+Gas+Hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Suggested Structures of Water in Inert Gas Hydrates.</a> The Journal of Chemical Physics. 19 (2), 259-260 (1951).</li>
<li>Claussen, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Second+Water+Structure+for+Inert+Gas+Hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">A Second Water Structure for Inert Gas Hydrates.</a> The Journal of Chemical Physics. 19 (11), 1425-1426 (1951).</li>
<li>Watson, J. D., Crick, F. H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+Structure+of+Nucleic+Acids%3A+A+Structure+for+Deoxyribose+Nucleic+Acid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.</a> Nature. 171 (4356), 737-738 (1953).</li>
<li>Watson, J. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWatson%2C+JD+%22The+double+helix%3A+a+personal+account+of+the+discovery+of+the+structure+of+DNA%22">The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA</a>. , Weidenfeld and Nicolson. (1981).</li>
<li>Cademartiri, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+two-dimensional+model+system+to+study+electrostatic-self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">A simple two-dimensional model system to study electrostatic-self-assembly.</a> Soft Matter. 8 (38), 9771-9791 (2012).</li>
<li>Reches, M., Snyder, P. W., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Folding+of+electrostatically+charged+beads-on-a-string+as+an+experimental+realization+of+a+theoretical+model+in+polymer+science%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Folding of electrostatically charged beads-on-a-string as an experimental realization of a theoretical model in polymer science.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (42), 17644-17649 (2009).</li>
<li>Tricard, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analog+modeling+of+Worm-Like+Chain+molecules+using+macroscopic+beads-on-a-string%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Chemistry+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">Analog modeling of Worm-Like Chain molecules using macroscopic beads-on-a-string.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (25), 9041-9046 (2012).</li>
<li>Tricard, S., Stan, C. A., Shakhnovich, E. I., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+macroscopic+device+described+by+a+Boltzmann-like+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">A macroscopic device described by a Boltzmann-like distribution.</a> Soft Matter. 9 (17), 4480-4488 (2013).</li>
<li>Capel, A. J., Rimington, R. P., Lewis, M. P., Christie, S. D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+for+chemical%2C+pharmaceutical+and+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Chemistry%22%5BJournal%5D)">3D printing for chemical, pharmaceutical and biological applications.</a> Nature Reviews Chemistry. 2 (12), 422-436 (2018).</li>
<li>Jones, O. A. H., Spencer, M. J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Simplified+Method+for+the+3D+Printing+of+Molecular+Models+for+Chemical+Education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">A Simplified Method for the 3D Printing of Molecular Models for Chemical Education.</a> Journal of Chemical Education. 95 (1), 88-96 (2018).</li>
<li>Paukstelis, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MolPrint3D%3A+Enhanced+3D+Printing+of+Ball-and-Stick+Molecular+Models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">MolPrint3D: Enhanced 3D Printing of Ball-and-Stick Molecular Models.</a> Journal of Chemical Education. 95 (1), 169-172 (2018).</li>
<li>Pinger, C. W., Geiger, M. K., Spence, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+3D-Printing+for+Improving+Chemistry+Education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Applications of 3D-Printing for Improving Chemistry Education.</a> Journal of Chemical Education. 97 (1), 112-117 (2020).</li>
<li>Robertson, M. J., Jorgensen, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Illustrating+Concepts+in+Physical+Organic+Chemistry+with+3D+Printed+Orbitals%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Illustrating Concepts in Physical Organic Chemistry with 3D Printed Orbitals.</a> Journal of Chemical Education. 92 (12), 2113-2116 (2015).</li>
<li>Au - Da Veiga Beltrame, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Biomolecular+Models+for+Research+and+Pedagogy%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy.</a> JoVE. (121), e55427(2017).</li>
<li>Fourches, D., Feducia, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Student-Guided+Three-Dimensional+Printing+Activity+in+Large+Lecture+Courses%3A+A+Practical+Guideline%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Student-Guided Three-Dimensional Printing Activity in Large Lecture Courses: A Practical Guideline.</a> Journal of Chemical Education. 96 (2), 291-295 (2019).</li>
<li>Rossi, S., Benaglia, M., Brenna, D., Porta, R., Orlandi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three+Dimensional+%283D%29+Printing%3A+A+Straightforward%2C+User-Friendly+Protocol+To+Convert+Virtual+Chemical+Models+to+Real-Life+Objects%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three Dimensional (3D) Printing: A Straightforward, User-Friendly Protocol To Convert Virtual Chemical Models to Real-Life Objects.</a> Journal of Chemical Education. 92 (8), 1398-1401 (2015).</li>
<li>Griffith, K. M., Cataldo, R. d, Fogarty, K. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do-It-Yourself%3A+3D+Models+of+Hydrogenic+Orbitals+through+3D+Printing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Do-It-Yourself: 3D Models of Hydrogenic Orbitals through 3D Printing.</a> Journal of Chemical Education. 93 (9), 1586-1590 (2016).</li>
<li>Carroll, F. A., Blauch, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Molecular+Models+with+Calculated+Geometries+and+p+Orbital+Isosurfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Molecular Models with Calculated Geometries and p Orbital Isosurfaces.</a> Journal of Chemical Education. 94 (7), 886-891 (2017).</li>
<li>Van Wieren, K., Tailor, H. N., Scalfani, V. F., Merbouh, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Access+to+Multicolor+Three-Dimensional+Printed+Chemistry+and+Biochemistry+Models+Using+Visualization+and+Three-Dimensional+Printing+Software+Programs%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Rapid Access to Multicolor Three-Dimensional Printed Chemistry and Biochemistry Models Using Visualization and Three-Dimensional Printing Software Programs.</a> Journal of Chemical Education. 94 (7), 964-969 (2017).</li>
<li>Carroll, F. A., Blauch, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+the+Force%3A+Three-Dimensional+Printing+a+%CF%80-Bonding+Model+with+Embedded+Magnets%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Using the Force: Three-Dimensional Printing a π-Bonding Model with Embedded Magnets.</a> Journal of Chemical Education. 95 (9), 1607-1611 (2018).</li>
<li>The NIH 3D Print Exchange. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+NIH+3D+Print+Exchange%3A+A+Public+Resource+for+Bioscientific+and+Biomedical+3D+Prints%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+and+Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">The NIH 3D Print Exchange: A Public Resource for Bioscientific and Biomedical 3D Prints.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (3), 137-140 (2014).</li>
<li>Penny, M. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+of+a+Scalable+Molecular+Model+and+Orbital+Kit+for+Organic+Chemistry+Teaching+and+Learning%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing of a Scalable Molecular Model and Orbital Kit for Organic Chemistry Teaching and Learning.</a> Journal of Chemical Education. 94 (9), 1265-1271 (2017).</li>
<li>Nelson, D. J., Brammer, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+Consistent+Terminology+for+Cyclohexane+Conformers+in+Introductory+Organic+Chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Toward Consistent Terminology for Cyclohexane Conformers in Introductory Organic Chemistry.</a> Journal of Chemical Education. 88 (3), 292-294 (2011).</li>
<li>Anet, F. A. L., Bourn, A. J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+Magnetic+Resonance+Line-Shape+and+Double-Resonance+Studies+of+Ring+Inversion+in+Cyclohexane-d11%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Nuclear Magnetic Resonance Line-Shape and Double-Resonance Studies of Ring Inversion in Cyclohexane-d11.</a> Journal of the American Chemical Society. 89 (4), 760-768 (1967).</li>
<li>Mayes, H. B., Broadbelt, L. J., Beckham, G. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+Sugars+Pucker%3A+Electronic+Structure+Calculations+Map+the+Kinetic+Landscape+of+Five+Biologically+Paramount+Monosaccharides+and+Their+Implications+for+Enzymatic+Catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">How Sugars Pucker: Electronic Structure Calculations Map the Kinetic Landscape of Five Biologically Paramount Monosaccharides and Their Implications for Enzymatic Catalysis.</a> Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 1008-1022 (2014).</li>
<li>Satoh, H., Manabe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+chemical+glycosyl+donors%3A+does+changing+ring+conformation+influence+selectivity%2Freactivity%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Design of chemical glycosyl donors: does changing ring conformation influence selectivity/reactivity.</a> Chemical Society Reviews. 42 (10), 4297-4309 (2013).</li>
<li>Allinger, N. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conformational+analysis.+130.+MM2.+A+hydrocarbon+force+field+utilizing+V1+and+V2+torsional+terms%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms.</a> Journal of the American Chemical Society. 99 (25), 8127-8134 (1977).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Gaussian+09+v.Revision+C.01%22">Gaussian 09 v.Revision C.01</a>. , Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2010).</li>
<li>Abraham, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GROMACS%3A+High+performance+molecular+simulations+through+multi-level+parallelism+from+laptops+to+supercomputers%5BTitle%5D)+AND+%22SoftwareX%22%5BJournal%5D)">GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers.</a> SoftwareX. 1-2, 19-25 (2015).</li>
<li>Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+testing+of+a+general+amber+force+field%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computational+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Development and testing of a general amber force field.</a> Journal of Computational Chemistry. 25 (9), 1157-1174 (2004).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>ABS: szpula filamentu 1,75 mm, 1 kg</td><td>MakerBot</td><td>MP01969</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>ABS: Ciemnoszara szpula filamentu 1,75 mm, 1 kg</td><td>Amazon</td><td>B07T6W8TRF</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>ABS: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kg</td><td>Hatchbox</td><td>B00J0H6NNM</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>Aceton koronowy, korona o pojemności 1 galona</td><td></td><td>206539</td><td>Otrzymywany ze sklepu ze sprzętem (Lowes).</td></tr><tr><td>MakerGear M2</td><td>MakerGear</td><td></td><td>Ta drukarka jest droższa niż niedrogie drukarki FDM dostępne w Amazon lub innych witrynach, ale została zaprojektowana z myślą o bardziej spójnej wydajności.</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Dual</td><td>MakerGear</td><td></td><td>Ten model drukarki nie jest już dostępny w sprzedaży. Został zastąpiony nowym modelem, który posiada niezależne podwójne ekstrudery.</td></tr><tr><td>Taśma malarska Multi-Surface 1,88 cala</td><td>3M</td><td>116480</td><td>Uzyskiwana ze sklepu z narzędziami (Lowes).</td></tr><tr><td>PETG: Różowa szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kg</td><td>Amazon</td><td></td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon). Nie jest już dostępny w tej firmie.</td></tr><tr><td>PETG: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 1 kg</td><td>Amazon</td><td></td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon). Nie jest już dostępny w tej firmie.</td></tr><tr><td>PLA: szpula z filamentem 1,75 mm, 2 funty</td><td>MakerBot</td><td>MP05775</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>PLA: Szpula z filamentem Cool Grey 1,75 mm, 2 funty</td><td>MakerBot</td><td>MP05784</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>PLA: Biała szpula z filamentem 1,75 mm, 2 funty</td><td>MakerBot</td><td>MP05780</td><td>Uzyskany od sprzedawcy (B& H i/lub Amazon).</td></tr><tr><td>TAŚMA POLIAMIDOWA (ROLKA 2")</td><td>MakerGear</td><td></td><td>Dostarczana z drukarką firmy MakerGear, chociaż można ją uzyskać z różnych źródeł.</td></tr><tr><td>Simplify3D</td><td>Simplify3D</td><td></td><td>Slicer softward używany w wydrukach. To oprogramowanie można kupić w firmie lub można je kupić od MakerGear i innych producentów drukarek 3D.</td></tr></tbody></table>

interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3d

Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing

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.

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.
<img alt="Model struktury cząsteczkowej, schemat kulowo-prętowy, wizualizacja chemii organicznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
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.
<img alt="Konformery cykloheksanu: konformacja krzesłowa, stan przejściowy półkrzesła, konformacja łódkowa. Modele struktury cząsteczkowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
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.
<img alt="Schemat wiązania molekularnego; pokazuje zmiany oddziaływań w symulacji środowiska chemicznego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig06.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig06large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
Tabela uzupełniająca S1: Szacunki energii swobodnej punktów stanu. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/Table_S1.xlsx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.</a>
Plik uzupełniający 1. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S1_C_atom_sp3.stl" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S2_C-C_bond.stl" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 3. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S3_H_atom.stl" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 4. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S4_H_atom_dual_bottom.stl" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 5. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S5_H_atom_dual_top.stl" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 6. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S6_Chair_B3LYP.pdb" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 7. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S7_Boat_B3LYP.pdb" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 8. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S8_TwistBoat_B3LYP.pdb" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 9. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S9_TransitionState_B3LYP.pdb" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

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.

Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D

With the growth in accessibility of 3D printing, there has been a growing application of and interest in additive manufacturing processes in chemical ...

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.

interactive-molecular-model-assembly-with-3d-printing

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Korzystając z nowoczesnych technologii wytłaczania i drukowania tworzyw sztucznych, teraz można szybko i tanio produkować fizyczne modele danych z tomografii komputerowej wykonanej w laboratorium.  Trójwymiarowe drukowanie danych tomograficznych jest potężnym narzędziem do wizualizacji, badań i edukacji, do którego może teraz uzyskać dostęp społeczność zajmująca się obrazowaniem przedklinicznym.

Druk 3D przedklinicznych zestawów danych tomografii komputerowej rentgenowskiej

Używamy druku 3D do wytwarzania anizotropowych cząstek w kształcie waletów, krzyżyków, tetrad i triad, których wyrównanie i rotacje w turbulentnym przepływie płynu mogą być mierzone na podstawie wielu jednoczesnych obrazów wideo.

Metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3D w turbulencji

Fizyczne modele biomolekuł mogą ułatwić badaczowi zrozumienie ich struktury-funkcji, pomóc w komunikacji między badaczami i służyć jako narzędzie edukacyjne w przedsięwzięciach pedagogicznych. Tutaj przedstawiamy szczegółowe wskazówki dotyczące drukowania 3D dokładnych modeli biomolekuł przy użyciu stacjonarnych drukarek 3D do produkcji topionych włókien.

Druk 3D modeli biomolekularnych do badań i pedagogiki

Tutaj prezentujemy protokół budowy sterowanej ciśnieniem pompy strzykawkowej do zastosowań mikroprzepływowych. Ta pompa strzykawkowa jest wykonana z korpusu wytwarzanego przyrostowo, gotowego sprzętu i elektroniki typu open source. Powstały w ten sposób system jest tani, prosty w budowie i zapewnia dobrze regulowany przepływ płynów, co umożliwia szybkie badania mikroprzepływowe.

Trójwymiarowy druk materiałów termoplastycznych w celu stworzenia zautomatyzowanych pomp strzykawkowych ze sterowaniem zwrotnym do zastosowań mikroprzepływowych

Pokazujemy nowatorską metodę konstruowania jednokomórkowego trójwymiarowego (3D) montażu bez sztucznego rusztowania.

Manipulowanie żywymi komórkami w celu zbudowania stabilnego zespołu komórkowego 3D bez sztucznego rusztowania

Ten artykuł opisuje metodę przekształcenia taniej komercyjnej drukarki 3D w bakteryjną drukarkę 3D, która może ułatwić drukowanie wzorzystych biofilmów. Opisano wszystkie niezbędne aspekty przygotowania biodrukarki i biotuszu, a także metody weryfikacji w celu oceny powstawania biofilmów.

Trójwymiarowe wzory biofilmów inżynieryjnych za pomocą biodrukarki zrób to sam

Celem tej pracy jest zaprojektowanie i skonstruowanie trójwymiarowej drukarki do wytłaczania ze stopu opartej na zbiorniku, wykonanej z komponentów o otwartym kodzie źródłowym i tanich do zastosowań w przemyśle biomedycznym i spożywczym.

Projekt open-source, taniej drukarki 3D do wytłaczania biotuszu i żywności

Przedstawiona tutaj jest metoda projektowania aplikacji na smartfony z rozszerzoną rzeczywistością do wizualizacji anatomicznych trójwymiarowych modeli pacjentów za pomocą wydrukowanego w 3D markera referencyjnego.

Połączenie rzeczywistości rozszerzonej i druku 3D w celu wyświetlania modeli pacjentów na smartfonie

Za pomocą nieinwazyjnej techniki czasu rzeczywistego, nanoskopowy ruch polimeru wewnątrz filamentu polimerowego jest obrazowany podczas drukowania 3D. Dostrojenie tego ruchu ma kluczowe znaczenie dla tworzenia konstrukcji o optymalnej wydajności i wyglądzie. Metoda ta dociera do sedna stapiania warstw tworzywa sztucznego, oferując w ten sposób wgląd w optymalne warunki drukowania i kryteria projektowania materiałów.

Obrazowanie w czasie rzeczywistym łączenia warstw drukowanych w 3D

Druk 3D w skali mikrometrycznej umożliwia szybkie prototypowanie urządzeń polimerowych do hodowli komórek neuronalnych. Jako dowód słuszności zasady, połączenia strukturalne między neuronami były ograniczane przez tworzenie barier i kanałów wpływających na rozrost neurytów, podczas gdy funkcjonalne konsekwencje takiej manipulacji zaobserwowano za pomocą elektrofizjologii zewnątrzkomórkowej.

Polimeryzacja dwufotonowa: druk 3D urządzeń do hodowli komórek neuronalnych w mikroskali

Poznaj technologię druku 3D do tworzenia interaktywnych modeli molekularnych zachowujących dynamikę rzeczywistych układów. Naucz się przygotowywać pliki STL, drukować części z PLA lub ABS oraz montować struktury cykloheksanu.

Interaktywny montaż modelu molekularnego z drukiem 3D

Przeglądaj więcej filmów