RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Настоящий протокол описывает цифровую 3D-печать полимерных материалов на основе световой обработки с использованием фотоиницируемой обратимой полимеризации цепи добавления-фрагментации типа I и последующей постфункционализации материала in situ посредством поверхностно-опосредованной полимеризации. Фотоиндуцированная 3D-печать обеспечивает материалы с независимо адаптированными и пространственно контролируемыми объемными и межфазными свойствами.
3D-печать обеспечивает легкий доступ к геометрически сложным материалам. Однако эти материалы имеют неразрывно связанные объемные и межфазные свойства, зависящие от химического состава смолы. В текущей работе 3D-печатные материалы постфункционализируются с использованием аппаратного обеспечения 3D-принтера с помощью вторичного процесса полимеризации, инициируемого поверхностью, что обеспечивает независимый контроль над объемными и межфазными свойствами материала. Этот процесс начинается с получения жидких смол, которые содержат монофункциональный мономер, сшивающий многофункциональный мономер, фотохимически лабильный вид, который позволяет инициировать полимеризацию, и, что особенно важно, соединение тиокарбонилтио, которое облегчает обратимую полимеризацию цепи добавления-фрагментации (RAFT). Соединение тиокарбонилтио, широко известное как агент RAFT, опосредует процесс полимеризации роста цепи и обеспечивает полимерным материалам более однородные сетевые структуры. Жидкая смола отверждается послойно с использованием коммерчески доступного цифрового 3D-принтера для обработки света для получения трехмерных материалов, имеющих пространственно управляемую геометрию. Исходную смолу удаляют и заменяют новой смесью, содержащей функциональные мономеры и фотоиницирующие виды. Затем 3D-печатный материал подвергается воздействию света от 3D-принтера в присутствии новой функциональной мономерной смеси. Это позволяет происходить фотоиндуцированной поверхностной полимеризации из скрытых групп агентов RAFT на поверхности 3D-печатного материала. Учитывая химическую гибкость обеих смол, этот процесс позволяет производить широкий спектр 3D-печатных материалов с настраиваемыми объемными и межфазными свойствами.
Аддитивное производство и 3D-печать произвели революцию в производстве материалов, обеспечив более эффективные и легкие маршруты для изготовления геометрически сложных материалов1. Помимо расширенных свобод проектирования в 3D-печати, эти технологии производят меньше отходов, чем традиционные субтрактивные производственные процессы, благодаря разумному использованию материалов-предшественников в слоеном производственном процессе. С 1980-х годов для изготовления полимерных, металлических и керамических компонентов был разработан широкий спектр различных методов 3D-печати1. Наиболее часто используемые методы включают экструзионную 3D-печать, такую как изготовление плавленой нити и методы прямого написания чернил2, методы спекания, такие как селективное лазерное спекание3, а также методы фотоиндуцированной 3D-печати на основе смолы, такие как лазерная и проекционная стереолитография и методы маскированной цифровой обработки света4 . Среди многих методов 3D-печати, существующих сегодня, методы фотоиндуцированной 3D-печати обеспечивают некоторые преимущества по сравнению с другими методами, включая более высокое разрешение и более высокую скорость печати, а также возможность выполнения затвердевания жидкой смолы при комнатной температуре, что открывает возможность для усовершенствованной 3D-печати биоматериала4,5,6,7,8, См. 9.
Хотя эти преимущества позволили широко распространить 3D-печать во многих областях, ограниченная способность самостоятельно адаптировать свойства 3D-печатного материала ограничивает будущие приложения10. В частности, неспособность легко адаптировать объемные механические свойства независимо от межфазных свойств ограничивает такие применения, как имплантаты, которые требуют тонко подобранных биосовместимых поверхностей и часто сильно отличающихся объемных свойств, а также противообрастающих и антибактериальных поверхностей, сенсорных материалов и других интеллектуальных материалов11,12,13 . Исследователи предложили модификацию поверхности 3D-печатных материалов для преодоления этих проблем, чтобы обеспечить более независимо настраиваемые объемные и межфазные свойства10,14,15.
Недавно наша группа разработала процесс фотоиндуцированной 3D-печати, который использует обратимую полимеризацию цепи добавления-фрагментации (RAFT) для опосредования синтеза сетевых полимеров15,16. Полимеризация RAFT представляет собой тип обратимой деактивационной радикальной полимеризации, который обеспечивает высокую степень контроля над процессом полимеризации и позволяет производить макромолекулярные материалы с тонко настроенными молекулярными массами и топологиями, а также широким химическим охватом17,18,19. Примечательно, что соединения тиокарбонилтио, или агенты RAFT, используемые во время полимеризации RAFT, сохраняются после полимеризации. Таким образом, они могут быть реактивированы для дальнейшего изменения химических и физических свойств макромолекулярного материала. Таким образом, после 3D-печати эти спящие агенты RAFT на поверхностях 3D-печатного материала могут быть реактивированы в присутствии функциональных мономеров для обеспечения индивидуальных поверхностей материала20,21,22,23,24,25,26. Вторичная поверхностная полимеризация диктует межфазные свойства материала и может быть выполнена пространственно контролируемым образом посредством фотохимической инициации.
Настоящий протокол описывает способ 3D-печати полимерных материалов с помощью фотоиндуцированного процесса полимеризации RAFT и последующей модификации поверхности in situ для модуляции межфазных свойств независимо от механических свойств сыпучего материала. По сравнению с предыдущими подходами к 3D-печати и модификации поверхности, текущий протокол не требует дезоксигенации или других строгих условий и, таким образом, очень доступен для неспециалистов. Кроме того, использование оборудования для 3D-печати для выполнения как первоначального изготовления материала, так и постфункционализации поверхности обеспечивает пространственный контроль над свойствами материала и может быть выполнено без утомительного выравнивания нескольких различных фотомаск для создания сложных узоров.
1. Подготовка программы 3D-печати и 3D-принтера
2. Подготовка смол
ПРИМЕЧАНИЕ: Смолы классифицируются как «Объемная смола» для смолы, используемой для 3D-печати исходного материала (базовая подложка) и «Поверхностная смола» для раствора, используемого для выполнения функционализации поверхности (рисунок поверхности).
3.3D печать и функционализация поверхности
4. Анализ 3D-печатных образцов
Общая процедура 3D-печати и функционализации поверхности показана на рисунке 1. В этом протоколе сетевой полимер первоначально синтезируется с помощью фотоиндуцированного процесса полимеризации RAFT15 с использованием 3D-принтера для изготовления объекта в послойном процессе (рисунок 1A). Объемная смола, используемая для формирования полимерной сети, содержит фотолабильный инициирующий вид (ТПО), который генерирует радикалы при воздействии света 405 нм. Эти радикалы затем могут добавляться к виниловым связям в мономере DMAm и кросслинкере PEGDA, который обеспечивает полимерную сеть через механизм полимеризации с ростом цепи. Агент RAFT BTPA опосредует рост сети с помощью дегенеративного механизма переноса цепи, который обеспечивает полимерным материалам повышенную однородность28. Во время процесса послойной 3D-печати 3D-полимерная сеть формируется путем фотополимеризации в течение определенного времени, называемого временем отверждения слоя. В этой работе слои были рассчитаны на толщину 50 мкм, а время отверждения слоя составляло 40 с. Чтобы гарантировать, что 3D-печатный материал прилипает к этапу сборки 3D-принтера, первые два слоя в процессе печати подвергаются воздействию в течение более длительного времени, в течение 80 с / слой. Как только слой отверждается, этап сборки поднимается вдоль оси Z, позволяя свежей неотвержденной смоле заполнить пустоту под 3D-печатными слоями. Этап сборки снова опускается в чан, и следующий слой отверждается. Полученный 3D-печатный объект отображает характерный желтый оттенок тритиокарбонатных агентов RAFT, таких как BTPA, визуализированный как в объемной смоле (рисунок 1C, секунда слева), так и в конечном 3D-печатном объекте.
Критически важно, что конец тритиокарбоната в полимерной сети обеспечивает функциональную ручку, из которой может происходить функционализация поверхности. После 3D-печати базовой подложки программа 3D-печати была приостановлена, и смола была переключена на поверхностную смолу. Компоненты поверхностной смолы показаны на рисунке 1B. ТПО добавляют для инициирования полимеризации, в то время как монофункциональные виниловые мономеры используются для функционализации поверхности, предназначенной для обеспечения линейных полимерных цепей, а не сшитой сети. В частности, мономерами, выбранными в этом процессе, являются DMAm и флуоресцентный PyMMA, который позволяет образовывать флуоресцентные полимеры из 3D-печатного материала.
Как показано на рисунке 2A, B, разработанные материалы в этом протоколе включают прямоугольную призму и несколько образцов в форме собачьей кости для испытания на растяжение. Общая прямоугольная призма и формы собачьей кости27 используются для печати базовой подложки, используя 30 общих слоев (слои 0-29 в программе 3D-печати) толщиной 50 мкм для обеспечения базовой подложки толщиной 1,5 мм. Как показано на рисунке 2C, поверхностный рисунок предназначен для облучения только прямоугольного призменного базового объекта в паттерне инь-ян. Рисунок поверхности был спроектирован так, чтобы иметь слой толщиной 50 мкм. Время отверждения слоя было увеличено до 180 с, чтобы обеспечить достаточную полимеризацию для изменения поверхности материала.
После 3D-печати базового объекта и функционализации поверхности объекты подвергаются постотверждению под источником света 405 нм в течение 15 минут. После постотверждения материалы сохранили характерный желтый оттенок агента RAFT (рисунок 3A) и показали четко определенные формы в соответствии с цифровыми моделями, показанными на рисунке 2A, B. Затем 3D-печатные материалы удаляются со стадии сборки для дальнейшего анализа. Как показано на рисунке 3B, 3D-печатные и поверхностные функционализированные материалы желтые, но очень прозрачные (рисунок 3B). Эффективность функционализации поверхности можно увидеть, облучая материалы под светом 312 нм. Как показано на рисунке 3C,D, функциональные материалы не показывают флуоресценции в темноте; однако включение источника света выявляет пространственно разрешенную поверхностную флуоресценцию в областях, облученных светом на этапе функционализации поверхности. Узор инь-ян виден на поверхности материала в этих условиях; однако были видны некоторые недостатки. При взгляде под белым светом узор инь-ян можно рассматривать как слегка приподнятую структуру. Это может свидетельствовать о наличии непрореагировавших сшивающих звеньев во время функционализации поверхности или образовании избытка свободного полимера в растворе при функционализации поверхности. Дальнейший анализ материала с использованием флуоресцентного тепловизора показал, что нижняя сторона материала не показала флуоресценции при ультрафиолетовом облучении (рисунок 3Е); однако верхняя сторона материала показала сильную флуоресценцию в паттерне инь-ян (рисунок 3F).
Наконец, механические свойства 3D-печатных образцов в форме собачьей кости были проанализированы с помощью машины для испытания на растяжение для определения прочности материала, пластичности и ударной вязкости. Репрезентативная кривая напряжения-деформации для дублирующих образцов в форме собачьей кости показана на рисунке 4. Материал первоначально показал упругую деформацию, обеспечивающую предел текучести (σ y) 24,8 ± 0,2 МПа, а затем пластическую деформацию перед разрушением. Относительное удлинение при разрыве (ε b) составило 11,7 ± 0,3 %, в то время как напряжение при разрыве (σ b) составило 22,6 ± 0,3 МПа. Модуль Юнга (E) был рассчитан на 7,1 ± 0,2 МПа, в то время как ударная вязкость составляла 115,2 ± 3,0 МДж/м3.

Рисунок 1: Схема химического процесса и иллюстрация выбранных компонентов смолы. (A) Объемные смоляные компоненты и схема реакции, показывающие синтез полимерной сети net-P (DMAm-stat-PEGDA) через 405 нм DLP 3D-принтер. (B) Компоненты поверхностной смолы и схема реакции, показывающие функционализацию поверхности net-P(DMAm-stat-PEGDA) в 405-нм DLP-принтере. (C) Фотографии (слева направо): ТПО в растворе DMAm, объемная смола, PyMMA в DMF, PyMMA в DMF при облучении 312 нм, поверхностная смола, поверхностная смола при облучении 312 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Цифровые изображения спроектированного объекта, подлежащего 3D-печати и функционализации поверхности. (A) 3D-изображение, показывающее спроектированное расположение 3D-материалов на этапе сборки. (B) Проекционное изображение, показывающее желаемый рисунок облучения белым цветом для создания базового объекта (слои 0-29). (C) Проекционное изображение, показывающее желаемую картину облучения белым цветом для функционализации поверхности (слой 30). Модель прямоугольной призмы составляет 80 x 40 x 1,5 мм (X x Y x Z), а диаметр символа инь-ян составляет 38 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Изображения, показывающие 3D-печатные и постфункционализированные материалы . (A) Фотография стадии сборки после печати, постфункционализации и 15-минутного постотверждения при облучении 405 нм. (B) Фотография функционального материала поверх бумаги с логотипами, демонстрирующими прозрачность. (C) Фотография функционального материала при слабом освещении перед ультрафиолетовым облучением. (D) Иллюстрация функционального материала при облучении 312 нм показывает сильную флуоресценцию в областях, облученных на стадии функционализации поверхности. (E) Флуоресцентное изображение нижней стороны функционального материала с использованием времени экспозиции 2 с, не показывающее флуоресценции. (F) Флуоресцентное изображение верхней стороны функционального материала с использованием времени экспозиции 1 с, показывающее сильную флуоресценцию в областях области, которые были облучены на этапе функционализации поверхности. 3D-печатная прямоугольная базовая подложка составляет 80 × 40 мм (X x Y), а диаметр символа инь-ян составляет 38 мм. Изображения с (E) и (F) были получены с помощью флуоресцентного тепловизора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Кривые напряжения и деформации для 3D-печатных образцов в форме собачьей кости без функционализации поверхности. На кривой указаны предел текучести (σ y = 24,8 ± 0,2 МПа), относительное удлинение при разрыве (ε b = 11,7% ± 0,3%) и напряжение при разрыве (σ b = 22,6 ± 0,3 МПа). Модуль Юнга (E = 7,1 ± 0,2 МПа) был рассчитан в линейной области упругости из 1%-2% деформации, в то время как ударная вязкость (115,2 ± 3,0 МДж/м3) была рассчитана на основе площади под кривой напряжения-деформации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Параметры | Значения |
| Толщина слоя (мм) | 0.05 |
| Нормальное время экспозиции (с) | 40 |
| Выходное время (ы) | 2 |
| Время нижней экспозиции (с) | 80 |
| Нижние слои | 2 |
| Расстояние подъема Z (мм) | 3 |
| Z Скорость подъема (мм/с) | 6 |
| Z Подъемная скорость втягивания (мм/с) | 1 |
| Сглаживание | 1 |
Таблица 1: Параметры для создания 3D-модели.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Настоящий протокол описывает цифровую 3D-печать полимерных материалов на основе световой обработки с использованием фотоиницируемой обратимой полимеризации цепи добавления-фрагментации типа I и последующей постфункционализации материала in situ посредством поверхностно-опосредованной полимеризации. Фотоиндуцированная 3D-печать обеспечивает материалы с независимо адаптированными и пространственно контролируемыми объемными и межфазными свойствами.
Авторы признают финансирование со стороны Австралийского исследовательского совета и UNSW Australia через исследовательскую программу Discovery (DP210100094).
| 1-пиренеметилметакрилат | Sigma-Aldrich | 765120 | |
| 2-(n-бутилтиокарбонотиоилтио) пропановая кислота | Бор Молекулярный | BM1640 | |
| 3D принтер | Photon | Mono S | интенсивность света на поверхности цифровой маски = 0,81 мВт см-2 |
| 3D-печать Программное обеспечение для нарезки | Photon | Photon Workshop V2.1.19 | |
| 40 кГц Ультразвуковая ванна | Thermoline | UB-410 | |
| Сжатый воздух | Резервуар | для 230142 | газа,работающий на 130 кПа |
| Программа автоматизированного проектирования | SpaceClaim SpaceClaim | SpaceClaim Design Manager V19.1 | |
| Дифенил (2,4,6-триметилбензоил) оксид фосфина | Sigma-Aldrich | 415952 | |
| Этанол неденатурированный 100% AR | ChemSupply | EL043-2.5L-P | |
| Бутылка для мытья этанола | Rowe Scientific | AZLWGF541P | |
| Fluorescence Imager | Bio-Rad | Gel Doc XR+ | Использует газоразрядную лампу с длиной волны 302 нм в качестве источника излучения |
| Измеритель интенсивности света | Newport | 843-R | |
| Mechanical Tester | Mark– 10 | ESM303 | 1 кН манометр M5– 200 |
| Формовочная пластиковая пленка | Parafilm | PM992 | |
| N,N-диметлакриламид | Sigma-Aldrich | 274135 | |
| N,N-диметилформамид HPLC | ChemSupply | LC1051-G4L | |
| поли(этиленгликоль) диакрилат средний Mn 250 | Sigma-Aldrich | 475629 | |
| Лампа для отверждения | Leoway | B0869BY79P | 60 Вт 405 нм |
| Документ по стандартам | ASTM | ASTM Стандарт D638-14 | |
| Машина для испытаний на растяжение | Mark-10 | ||
| UV | Light Fisher Scientific | 11-982-30 | 6 Вт Spectroline E-Series, Газоразрядная лампа |
| Вихревой смеситель IKA Vortex 3 | LabTek | 3340000I |