Summary
Denne protokol beskriver syntesen af upconversion nanokapsler til efterfølgende brug i fotopolymeriserbare harpikser til triplet fusion upconversion-lettet volumetrisk 3D-udskrivning.
Abstract
Triplet fusion upconversion (UC) giver mulighed for generering af en højenergi foton fra to lavenergi input fotoner. Denne velundersøgte proces har betydelige konsekvenser for at producere højenergilys ud over et materiales overflade. Imidlertid er implementeringen af UC-materialer blevet bremset på grund af dårlig materialeopløselighed, høje koncentrationskrav og iltfølsomhed, hvilket i sidste ende resulterer i reduceret lysudgang. Til dette formål har nanoindkapsling været et populært motiv for at omgå disse udfordringer, men holdbarheden er forblevet undvigende i organiske opløsningsmidler. For nylig blev en nanoindkapslingsteknik konstrueret til at tackle hver af disse udfordringer, hvorefter en oliesyre nanodråbe indeholdende opkonverteringsmaterialer blev indkapslet med en silicaskal. I sidste ende var disse nanokapsler (NC'er) holdbare nok til at muliggøre triplet fusion upconversion-lettet volumetrisk tredimensionel (3D) udskrivning. Ved at indkapsle opkonverteringsmaterialer med silica og sprede dem i en 3D-printharpiks blev fotopatterning ud over overfladen af printkarret muliggjort. Her præsenteres videoprotokoller til syntese af opkonvertering NC'er for både små og store partier. De skitserede protokoller tjener som udgangspunkt for at tilpasse dette indkapslingsskema til flere omdannelsesordninger til brug i volumetriske 3D-printapplikationer.
Introduction
At bevæge sig væk fra subtraktive fremstillingsprocesser (dvs. komplekse former fremstillet ved udskæring af råmaterialeblokke) kan reducere affald og øge produktionshastigheden. Derfor bevæger mange industrier sig mod additive fremstillingsprocesser, hvor objekter bygges lagfor lag 1 ved hjælp af tredimensionel (3D) udskrivning. Mange arbejder på at udvikle additive fremstillingsprocesser til adskillige klasser af materialer (fx glas2, keramik3,4, metaller5 og plast 6,7).
Denne lag-for-lag hærdning begrænser harpiksvalget og påvirker printets mekaniske egenskaber 6,7. I betragtning af lysbaseret 3D-udskrivning til fremstilling af plast bevæger to-fotonabsorption (2PA) -baseret udskrivning sig væk fra lag-for-lag-processerne ved at udskrive volumetrisk8. 2PA-processen kræver samtidig absorption af to fotoner for at initiere polymerisation. Dette øger ikke kun de nødvendige strømindgange, men øger også kompleksiteten og omkostningerne ved udskrivningssystemet, hvilket begrænser udskriftsstørrelserne til mm3-skalaen eller mindre9.
For nylig har en ny 3D-printmetode ved hjælp af triplet fusion upconversion (UC) gjort volumetrisk 3D-udskrivning med UC mulig på cm3-skalaen 10. Spændende nok kræver denne proces bestråling med relativt lav effekttæthed10 sammenlignet med 2PA-baseret udskrivning 9,11,12. Opkonverteringsprocessen omdanner to lavenergifotoner til en højenergifoton13, og det opkonverterede lys absorberes af fotoinitiatoren for at initiere polymerisation. Implementering af triplet fusion UC-materialer har traditionelt været udfordrende på grund af høje materialekoncentrationskrav, dårlig opløselighed og iltfølsomhed13,14,15. Indkapsling af UC-materialer ved hjælp af en række nanopartikelordninger er blevet godt undersøgt16, men mangler den holdbarhed, der kræves i organiske opløsningsmidler. Den silica-belagte oliesyre upconversion nanocapsule (UCNC) syntetiske protokol beskrevet her overvinder denne holdbarhedsudfordring for dispersion af UC-materialer i en lang række organiske opløsningsmidler, herunder 3D-printharpikser10. Det opkonverterede lys, der genereres fra materialer inde i nanokapslerne, er mønstret i flere dimensioner for at generere støttestrukturfrie faste genstande, hvilket gør det muligt at udskrive strukturer med høj opløsning med en opløsning så lille som 50 μm10. Ved at fjerne støttestrukturer og udskrive i et iltfrit miljø er nye harpikskemikalier tilgængelige for at opnå både forbedrede og nye materialeegenskaber, der er utilgængelige med traditionel stereolitografi.
Her er UCNC's syntetiske protokol skitseret til indkapsling af sensibilisatoren (palladium (II) meso-tetraphenyltetrabenzoporphin, PdTPTBP) og annihilatoren (9,10-bis ((triisopropylsilyl)ethynyl)anthracen, TIPS-an) i to forskellige skalaer. Syntese i stor skala giver materiale til at give ~ 10 g opkonvertering nanokapselpasta til brug i 3D-udskrivningsharpikser. Syntese i lille skala for ~ 1 g opkonvertering nanokapselpasta giver mulighed for optimering af nyt nanokapselindhold. Denne protokol understøtter en vellykket integration af triplet fusion UCNC'er i en række 3D-printarbejdsgange og andre applikationer.
Protocol
1. Storskala opkonvertering nanokapsel syntese
- I et handskerum (se Materialetabel) med en inert atmosfære under rød belysning fremstilles mættede opløsninger af sensibilisatoren (PdTPTBP) og annihilatoren (TIPS-anthracen) (se Materialetabel) i 99% oliesyre ved stuetemperatur (~ 22 ° C).
- Tilsæt 2 ml oliesyre til 20 mg PdTPTBP i et hætteglas med en rørestang. Dæk derefter hætteglasset med folie for at beskytte mod omgivende lys. Tilsæt 2 ml oliesyre til 25 mg TIPS-anthracen i et hætteglas med en rørestang.
- Blandingerne omrøres ved 600 o / min i mindst 4 timer, før de filtreres med et 0,45 μm PTFE-sprøjtefilter. Hver opløsning skal synligt have uopløst fast stof for at blive fjernet ved filtrering, hvilket betyder, at hver opløsning er mættet.
- Brug en sprøjte til at forberede 1,75 ml af opkonverteringsmaterialets stamopløsning ved at blande 0,7 ml af den filtrerede TIPS-anthracenopløsning, 0,35 ml af den filtrerede PdTPTBP-opløsning og 0,7 ml oliesyre.
BEMÆRK: Opkonverteringsopløsningen, der anvendes til nanokapslerne, har et forhold på 2: 1: 2 TIPS-anthracen til PdTPTBP til oliesyre i volumen.
- Mål 4 g 10K MPEG-silan i et rent 20 ml hætteglas, så det er klar til brug under syntese. Dette kan udføres inden for eller uden for handskerummet. Hvis dette materiale måles uden for handskerummet, skal du fastgøre hætteglassets låg med tætningsfilm eller elektrisk tape, før det føres ind i handskerummet.
- I en 250 ml Erlenmeyer-kolbe forseglet med en septum, afkøles 200 ml ultrarent deioniseret vand i et isbad i mindst 1 time for at nå ~ 5 ° C . Dette tager typisk et par timer.
- Fastgør septumet til kolben med mindst seks stykker tætningsfilm. Dette er for at sikre, at septumet forbliver fastgjort, når kolben er under vakuum i handskerummets forkammer.
- Bring det afkølede vand ind i handskerummet umiddelbart før tilberedning af nanokapslerne. Træk kun et let vakuum på forkammeret, når du bringer vandet ind, ved at trække 20% vakuum baseret på målingen på forkammerets trykmåler.
- Når du har bragt vandet ind i handskerummet, skal du straks tænde handskerummets udrensningsfunktion for at omgå søjlen. Dette fjerner ilten, der introduceres, når vandet bringes ind under let vakuum og forlænger søjlens levetid. Hold rensningen i gang, indtil syntesen er færdig, og alt affald er fjernet fra handskerummet.
- Sørg for, at alle kemikalier og forbrugsstoffer er klar til brug, herunder sprøjter og nåle til dispensering (3-aminopropyl)triethoxysilan (APTES) og tetraethylortosilikat. Sørg for, at 10K MPEG-silan er inden for rækkevidde. Til rengøring er nylonklude også nyttige at have til rådighed.
- Tilslut blenderen (se Materialetabel). Dæk stikkontakterne med en plastikbeholder eller nylonklud. Denne barriere giver mulighed for beskyttelse i tilfælde af en uventet blenderlækage. Sørg for, at blenderen er slukket.
- Hæld forsigtigt vandet i blenderen. Der tilsættes 1,45 ml opkonverteringsmaterialestamopløsning (fremstillet i trin 1.1.3) i en portion med en sprøjte i midten af vandet i blenderen.
- Sæt låget på og dæk det med en nylonserviet i tilfælde af uventet lækage. Blend ved den maksimale hastighed (22.600 o / min) i nøjagtigt 60 sekunder, mens du holder blenderlåget for at forhindre små lækager.
- Sluk blenderen, og flyt den af vejen for at sikre tilstrækkelig arbejdsplads.
- Overfør emulsionen til en 500 ml rund bundkolbe. Kolben fastgøres til en omrøringsplade med en klemme. Bland emulsionen kraftigt ved 1200 o / min med en ægformet rørestang (se Materialetabel).
- Brug en sprøjte til at tilføje 0,75 ml APTES til emulsionen for at generere en klar opløsning af miceller.
- Tilsæt 4 g 10K MPEG-silan for at forhindre kapselaggregering. Kolben rystes, hvis det er nødvendigt for at sikre, at den spredes. Rør ved 1200 o / min i ca. 10 min.
- I løbet af denne tid tørres blenderen og låget med en nylonklud. Brug tang til at holde hænderne langt væk fra de skarpe blenderblade.
- Når der er gået 10 minutter, tilsættes 15 ml tetraethylortosilikat i en portion ved hjælp af en 20 ml sprøjte. Tilsæt yderligere 15 ml tetraethylortosilikat i en portion med en 20 ml sprøjte til i alt 30 ml. Sæt en septum på kolben og rør ved 1200 o / min i 30 minutter.
- Fjern kolben og affald fra handskerummet, og sluk for handskerummets udrensning.
- Fastgør kolben på en omrøringsplade med et varmeelement, såsom et oliebad eller aluminiumsvarmeblok. Kolben tilsluttes en Schlenk-linje, så reaktionen holdes ved et konstant tryk under en inert gas, såsom nitrogen eller argon.
- Omrør og opvarm reaktionen ved 65 °C med en hastighed på 1200 o/min i 40 timer.
- Efter 40 timer skal du afbryde reaktionen fra Schlenk-linjen for at tilføje 4 g 10K MPEG-silan. Tilslut reaktionen til Schlenk-linjen igen. Omrør og opvarm reaktionen ved 65 °C ved 1200 o/min i 8 timer.
- Efter 8 timer skal du slukke for varmen og lade reaktionen afkøle til stuetemperatur under omrøring ved 1200 o / min.
- Når reaktionen er kølig, overføres reaktionen til centrifugerør.
- For en centrifuge (se Materialetabel), der indeholder 50 ml centrifugerør, opdeles reaktionen ligeligt mellem 10 centrifugerør.
- For en centrifuge, der indeholder 0,5 L centrifugerør, opdeles reaktionen ligeligt mellem to centrifugerør.
- Centrifugering af suspensionen ved 8670 x g i 1 time ved en temperatur på 20-22 °C. Kassér pelleten og behold supernatanten, der indeholder nanokapslerne.
- Supernatanten centrifugeres ved 8670 x g i 14-16 timer ved 20-22 °C.
- Kassér supernatanten og saml pelleten indeholdende opkonvertering nanokapsler.
- Brug en pipette til forsigtigt at skylle den øverste overflade af nanokapselpelleten med ultrarent deioniseret vand (2 x 10 ml). Dette skal udføres ved et lavt flow, så pelleten ikke løsnes fra centrifugerøret.
- Overfør nanokapselpastaen til to eller tre separate 20 ml scintillationshætteglas med en spatel, og bring straks hætteglassene ind i handskerummet. Ca. 7-10 g nanokapselpasta skal genvindes.
BEMÆRK: Til videre brug anbefales det, at nanokapslerne dispergeres i et opløsningsmiddel, såsom en monomer til 3D-udskrivning eller deoxygeneret ultrarent deioniseret vand inden for 48 timer efter syntese. Vand vil fordampe fra nanokapselpastaen og efterlade nanokapslerne ubrugelige efter 48 timer.
- Udfør scanningselektronmikroskopi (SEM), dynamisk lysspredning (DLS) og opkonvertering af fotoluminescens for at karakterisere nanokapselpræparatet.
2. Nanokapselsyntese i lille skala
- Forbered stamopløsningerne af sensibilisatoren og udsletteren som beskrevet i trin 1.1. Volumenet af den opløsning, der anvendes til at udgøre nanokapsler, nedskaleres til 250 μL i stedet for de 1,75 ml, der er beskrevet i trin 1.1. Der blandes 100 μL af den filtrerede TIPS-an-opløsning med 50 μL af den filtrerede PdTPTBP-opløsning og 100 μL oliesyre.
- Sparre kraftigt 20 ml ultrarent deioniseret vand i et 40 ml scintillationshætteglas (se Materialetabel) med en inert gas, såsom nitrogen eller argon, ved hjælp af en Schlenk-linje i mindst 10 minutter. Sæt låget på med elektrisk tape eller tætningsfilm, inden hætteglasset føres ind i handskerummet.
BEMÆRK: Hvis der laves flere småprøver på én gang, kan større mængder vand afgasses tilstrækkeligt ved at blande 200 ml kølet vand som beskrevet i afsnit 1 ved hjælp af en ren, ubrugt blenderkande. Sparsomt vand med en inert gas på en Schlenk-linje er ikke effektivt ved mængder større end 20 ml. - Mål 400 mg 10K MPEG-silan, så det er klar til brug under syntese i et rent 10 ml hætteglas. Dette kan udføres inden for eller uden for handskerummet. Hvis dette måles uden for handskerummet, skal du fastgøre hætteglassets låg med tætningsfilm eller elektrisk tape, før det føres ind i handskerummet.
- Bring det sparsomme vand ind i handskerummet, og tænd straks handskerummets udrensningsfunktion for at omgå søjlen. Dette pisker ilt væk, der introduceres, når vandet bringes ind under let vakuum og forlænger søjlens levetid. Udrensningen skal forblive tændt, indtil syntesen er færdig, og alt affald er fjernet fra handskerummet.
- Sørg for, at alle kemikalier og forbrugsstoffer (5 ml sprøjter og en mikropipette med spidser) er klar til brug.
- Brug en sprøjte til at fjerne 1 ml (3-aminopropyl)triethoxysilan fra flasken og dispenser den til et rent, mærket 20 ml hætteglas til senere brug.
- Brug en sprøjte til at fjerne 5 ml tetraethylortosilikat og dispenser det i et rent, mærket 20 ml hætteglas til senere brug.
- Sørg for, at 10K MPEG-silan er inden for rækkevidde i handskerummet.
- Til rengøring er ekstra nylonklude også nyttige at have til rådighed.
- Tilslut hvirvelblanderen (se Materialetabel), og indstil hastigheden til den højeste indstilling (3200 o / min).
- Ved hjælp af en mikropipette tilsættes 145 μL sensibilisator/annihilatorstamopløsning til et hætteglas med vand (20 ml). Fastgør låget med elektrisk tape eller tætningsfilm.
- Vortex opløsningen ved den højeste hastighed af hvirvelblanderen (3200 o / min) i 7 minutter for at sikre nanodråbedannelse svarende til den store syntese. Hold hætteglasset tæt på bunden, og hold aldrig fast i hætteglassets låg under hvirvelstrømning, da låget kan løsne sig og løsne sig fra hætteglasset.
- Sæt hætteglasset på en omrøringsplade. Rør emulsionen ved 1200 o / min med en ottekantet rørestang (se Materialetabel).
- Brug en mikropipette til at tilføje 75 μL APTES for at generere en klar opløsning af miceller.
- Efter generering af den klare opløsning tilsættes straks 400 mg 10K MPEG-silan. Sæt låget på, og ryst hætteglasset for effektivt at blande reaktionen. Sæt hætteglasset tilbage på omrøringspladen.
- Brug en sprøjte til at tilsætte 3 ml tetraethylortosilikat i rækkefølge, mens reaktionen omrøres ved 1200 o / min. Sæt låget på, og ryst hætteglasset for effektivt at blande reaktionen. Rør reaktionen ved 1200 o / min, indtil den fjernes fra handskerummet.
- Forsegl hætteglasset med elektrisk tape eller tætningsfilm, og fjern hætteglasset fra handskerummet.
- Opløsningen opvarmes ved 65 °C ved hjælp af et oliebad eller en aluminiumsvarmeblok. Rør reaktionen ved 1200 o / min i 40 timer.
- Efter 40 timer tilsættes 400 mg 10K MPEG-silan. Forsegl hætteglasset igen med elektrisk tape eller tætningsfilm. Rør reaktionen ved 1200 o / min i 8 timer.
- Lad reaktionen afkøle til stuetemperatur under omrøring ved 1200 o / min. Når reaktionen er kølig, kombineres reaktionsblandingerne i et 50 ml centrifugerør.
- Centrifugering af suspensionen ved 8670 x g i 1 time ved en temperatur på 20-22 °C. Kassér pelleten og behold supernatanten, der indeholder nanokapslerne.
- Supernatanten centrifugeres ved 8670 x g i 14-16 timer ved 20-22 °C.
- Kassér supernatanten og behold pelleten, der indeholder opkonvertering nanokapsler. Brug en pipette til forsigtigt at skylle den øverste overflade af nanokapselpelleten med 2 x 1 ml ultrarent deioniseret vand. Dette skal udføres ved et lavt flow, så pelleten ikke løsnes fra centrifugerøret.
- Overfør nanokapselpastaen til et 20 ml scintillationshætteglas med en spatel og bring hætteglassene ind i handskerummet med det samme. Ca. 700-1000 mg nanokapselpasta skal genvindes.
BEMÆRK: Til videre brug anbefales det, at nanokapslerne dispergeres i et opløsningsmiddel, såsom en monomer til 3D-udskrivning eller deoxygeneret ultrarent deioniseret vand, inden for 48 timer. Vand vil fordampe fra nanokapselpastaen og vil efterlade nanokapslerne ubrugelige efter 48 timer.
Representative Results
Figur 1 viser en tegneserie skildring af upconversion nanokapsel syntese protokol. Parallellerne mellem det lille og store UCNC-præparat understreges, såsom olien i vandemulsionsgenerering og tilsætning af kemikalier til syntetisering af silicaskallen. Fra den lille syntese opsamles typisk 700-1000 mg UCNC-pasta, mens 7-10 g af UCNC typisk opsamles fra den store syntese.
Nanokapslerne blev karakteriseret ved hjælp af en kombination af spektroskopiske og mikroskopiteknikker10. For at forberede prøver til SEM blev en film drop-støbt fra en opløsning af 100 mg ml-1 nanokapselpasta dispergeret i vand på et passende ledende SEM-substrat og fik lov til at tørre. Nanokapslernes ledningsevne er i sagens natur lav, men stadig tilstrækkelig til karakterisering uden tilsætning af et andet ledende materiale. Et repræsentativt SEM-billede (figur 2A) viser de relativt monodisperse nanokapsler med diametre på ~ 50 nm opnået med denne protokol. En begrænsning ved at bruge SEM til at karakterisere UCNC'ernes morfologi er, at de er ustabile under ultrahøjt vakuum i lange perioder. Under ultrahøjt vakuum, der er nødvendigt for SEM-målinger, kan UCNC'erne med succes afbildes, hvis de fungerer effektivt, typisk inden for 30 min. UCNC'er smelter sammen under højvakuum efter ca. 30 minutter under ultrahøjt vakuum (figur 2B). Denne fusion observeres ikke under omgivende forhold efter den procedure, der er beskrevet i denne protokol (se nedenfor). Selv i lyset af stabilitetsovervejelserne under vakuum er elektronmikroskopi stadig en gavnlig metode til at vurdere UCNC'ernes typiske morfologi.
Dynamisk lysspredning (DLS) er en anden nyttig teknik til at karakterisere den gennemsnitlige nanokapsel hydrodynamiske diameter i opløsning. Prøverne til DLS kan let fremstilles med en prøve af fortyndede UCNC'er. Her blev en prøve af supernatanten genvundet efter den første centrifuge (trin 1,23 eller 2,17) karakteriseret ved DLS. Supernatanten blev fortyndet med en faktor 10x med ultrarent deioniseret vand og filtreret med et 0,2 μm PVDF-filter for at fjerne store partikler og støv. Alternativt kan man karakterisere UCNC-pastaen i en koncentration på 100 mg ml-1 i ultrarent deioniseret vand fortyndet 10x og filtreret med et 0,2 μm PVDF-filter . Den hydrodynamiske diameter blev målt ved hjælp af DLS til at være <100 nm fra batch til batch, typisk i området 65-90 nm10. Nanopartikelaggregering observeres ikke under disse karakteriseringsbetingelser, hvilket fjerner behovet for en yderligere elektrolyt10. Lignende UCNC-diametre kan genereres fra protokoller i stor skala eller lille skala; repræsentative spor fra en scanning er vist i figur 2C. På grund af brownsk bevægelse og den matematiske tilpasningsproces til Stokes-Einstein-ligningen er mange scanninger gennemsnitlige sammen for at bestemme de gennemsnitlige hydrodynamiske diametre17. De gennemsnitlige hydrodynamiske diametre for prøverne vist i figur 2C er ~75 nm for den store batch (polydispersitet, PDI: 0,21) og ~66 nm (PDI: 0,15) for den lille batch, der præsenteres. Denne variation i hydrodynamisk diameter er typisk fra batch til batch, uanset reaktionsskalaen.
Endelig er optisk karakterisering afgørende for at vurdere integriteten af silicaskalindkapslingen (figur 2D). Her blev en prøve af supernatanten genoprettet, efter at den første centrifuge blev fortyndet med 10x i deoxygeneret acetone i handskerummet. Prøven blev fortyndet i acetone for at teste UCNC'ernes strukturelle integritet. I figur 2D er anthracen-omdannelsesemissionen tydeligt til stede ved bestråling med en 635 nm laser, hvilket betyder, at den gennemsnitlige silicaskal forbliver intakt. Hvis silicaskallerne er for tynde, er lysopkonvertering ekstremt lav ved bestråling med en 635 nm laser. Dette skyldes, at opkonverteringsindholdet opløses og fortyndes i acetone til en koncentration, der er for lav til at generere lys opadkonverteret emission10.
Figur 1: En tegneserieskildring af den opadgående nanokapsel syntetiske proces i lille og stor skala. Denne figur blev oprettet med Biorender.com. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Repræsentativ nanokapselkarakterisering ved hjælp af mikroskopi og spektroskopi . (A) SEM for UCNC'erne viser omfanget og ensartetheden af opkonvertering nanokapselsyntesen. Skala bar = 200 nm. (B) SEM for de UCNC'er, der er smeltet sammen under ultrahøjt vakuum i løbet af ~ 30 min. SEM-prøver blev fremstillet ved drop-casting-opløsninger af UCNC'er i deioniseret ultrarent vand. Skala bar = 20 μm. (C) Repræsentative DLS-spor af nanokapsler til opkonvertering fremstillet i lille skala og stor skala. UCNC'er blev fortyndet i deioniseret ultrarent vand. (D) Opkonverteringsemissionen af TIPS-an i UCNC'er fortyndet i acetone blev genereret ved bestråling med en 635 nm laser ved ~ 65 W cm-2. Denne lyse opkonvertering betyder, at silicaskallerne er tykke nok til at forhindre nanokapselindholdet i at spilde ud. Klik her for at se en større version af denne figur.
Discussion
Der er flere overvejelser, når man forbereder lyse opkonverterende nanokapsler. For det første afsluttes syntesen i et handskerum, fordi opkonverteringsmaterialerne skal beskyttes mod ilt - det er veletableret, at opkonverteret lysudgang reduceres i nærværelse af ilt13,14,15,16. Derudover skal sensibilisator- og annihilatorlageropløsningerne tilberedes friske til hvert parti. PdTPTBP og andre metalerede porfyriner har vist sig at demetalere i omgivende belysning i nærværelse af syre18, og anthracener vides at aggregere over tid19. Disse effekter kan minimeres ved at forberede friske opløsninger under rød belysning til hver syntese. Forfatterne bemærker, at streng rød belysning ikke længere er påkrævet, når det metalerede porfyrin og anthracen er blandet, og omgivende belysning er acceptabel at bruge efter dette trin. Endelig anbefales det til den store syntese, at der fremstilles mindst 1,75 ml af den opkonverterende stamopløsning, da tilsætning af mindre end 1,45 ml af denne opløsning til fremstilling af UCNC'er vil ændre proportionerne af alle andre krævede reagenser samt den koncentrationsafhængige nanodråbedannelse. Tilsvarende anbefales det for den lille syntese, at 250 μL af den opadkonverterende lageropløsning fremstilles i samme proportioner. Endelig, når du bruger en mikropipette til dispensering af oliesyrelageropløsningerne, skal du langsomt frigive stemplet og vente på, at det stiger helt for at dispensere det ønskede volumen. Oliesyren vil langsomt fylde pipettespidsen på grund af dens høje viskositet, og det er let utilsigtet at dispensere mindre opløsning end forventet.
Det er vigtigt at forstå, at oliesyre nanodråbegenerering er følsom over for blandingstid, hastighed og betydelige temperaturændringer. For eksempel er blendervalget signifikant og kan påvirke dannelsen af oliesyre nanodråber. Flere blendermærker blev testet i de indledende udviklingsfaser. Blenderen, der anbefales i materialetabellen , førte til dannelsen af relativt overlegne og reproducerbare nanokapsler beskrevet i denne protokol. Især øger kraftig blanding emulsionens temperatur og reducerer oliesyre nanodråbedannelseseffektiviteten. Blenderbladene skal være helt nedsænket i vand for bedst at kontrollere temperaturen, hvilket var en overvejelse til bestemmelse af det krævede vandvolumen, der blev præsenteret her10. Derudover reducerer afkøling af vandet på forhånd dråbeaggregering i emulsionen, hvilket i sidste ende forbedrer nanokapseludbyttet til den store syntese. På den anden side ændrer afkøling af vandet ikke signifikant den olieholdige nanodråbedannelse for den lille syntese, sandsynligvis fordi opbevaring af 40 ml hætteglas ikke øger vandets temperatur så meget som blenderbladene.
APTES-tilsætningen er et betydeligt syntetisk trin, da APTES stabiliserer oliesyre nanodråber genereret ved blanding eller hvirvel. Den oprindelige nanodråbeemulsion er en overskyet, uklar spredning. Ved tilsætning af APTES bliver opløsningen klar og gennemsigtig, efterhånden som nanodråberne stabiliseres. I gennemsnit er de krævede APTES-mængder meget tæt på det, der præsenteres i protokollen, men nogle gange kræves der lidt mindre eller lidt mere APTES for at løsningen bliver klar. APTES-tilsætningen bør derfor behandles på samme måde som andre titreringer20. Tilføjelse af for meget APTES (dvs. ud over en "bare klar" løsning) vil forstyrre dannelsen af nanokapselskal og reducere udbyttet. Til dette formål, hvis der kræves væsentligt forskellige mængder APTES for at producere en klar suspension, eller en klar suspension aldrig nås, indikerer dette, at fejlfinding er nødvendig for at optimere dannelsen af oliesyre nanodråbe. For eksempel, hvis nanodråbegenereringen er ineffektiv, vil dråbevolumen og dermed overfladeareal af nanodråben være større end forventet og kan kræve mere APTES. Dette er blevet observeret i den lille syntese og kan afhjælpes på forskellige måder, såsom den kraft, der bruges til at holde et hætteglas mod hvirvelblanderen eller ved at øge hvirveltiden.
Derudover skal 10K MPEG-silan tilføjes umiddelbart efter APTES for at forhindre aggregering og kan ikke udelades10. Uden tilsætning af 10K MPEG-silan observeres irreversibel aggregering inden for ~ 30 minutter i form af bundfaldsgenerering. Selvom 5K MPEG-silan kan erstattes af 10K MPEG-silan, forhindrer MPEG-silaner med lavere molekylvægt ikke tilstrækkeligt aggregering i en konstant koncentration.
Silicaskaldannelsen er nøglen til at give UCNC holdbarhed, når den spredes i forskellige opløsninger. Mens silicaskalvækst generelt er godt undersøgt 21,22,23, bruges den ofte anvendte 21 syre- eller basekatalyse til fremme af silicavækst ikke her, da opvarmningen er tilstrækkelig til at generere en holdbar, tværbundet silicaskal. For at overvåge silicaskaldannelsen over tid skal der observeres lys opkonvertering efter 100x fortynding af en nanokapselreaktionsaliquot i et organisk opløsningsmiddel, såsom acetone, med minimal sensibiliserende phosphorescens for PdTPTBP / TIPS-an-systemet (figur 2D og reference10). Typisk kan lyse opkonvertering observeres efter ca. 24 timer, men 48 timer vil øge den relative emission, hvilket betyder, at en større population af UCNC'erne har en holdbar skal. Bemærk, at UC-emissionen er afhængig af bestrålingseffekten, og at der skal anvendes tilstrækkelige effekttætheder. For eksempel kræves der i det system, der er beskrevet her, effekttætheder i størrelsesordenen ~65 W cm-2 for at se lyse opkonverterede PL.
Den anden tilsætning af 10K MPEG-silan efter 40 timers silicavækst forbedrer nanokapseldispersibiliteten i organiske opløsningsmidler. Mens UCNC'erne stadig vil kunne spredes i flere opløsningsmidler uden denne anden 10K MPEG-silantilsætning, anbefales den anden tilsætning stærkt at øge UCNC-belastningerne efter masse i opløsning. For eksempel til brug i en 3D-printharpiks blev 0,67 g ml-1 nanokapselpasta dispergeret i acrylsyre10.
At udsætte UCNC'erne for ilt under hele den flerdages fremstillingsproces resulterer i indtrængen af ilt i koncentrationer, der signifikant reducerer opkonvertering af fotoluminescens. For at sikre, at en inaktiv atmosfære opretholdes under omrøring i 48 timer i en omgivende atmosfære, påberåbes forskellige protokoller afhængigt af reaktionsskalaen. I stor skala kan ethanolen, der genereres under silicavækst, producere betydelige tryk, som kan føre til fjernelse af et fastgjort septum eller tab af reaktionsbeholderens strukturelle integritet24. Således skal 500 ml kolben forbindes til en Schlenk-linje for at muliggøre en trykfrigivelse i en inert atmosfære. I små skalaer bevarer tætning af et 40 ml glasflaske med tætningsfilm eller elektrisk tape tætningens strukturelle integritet. Uden at forsegle hætteglassets låg vil trykstigningen langsomt løsne låget og give mulighed for indtrængen af ilt.
Reaktionsrensningen ved centrifugering adskiller UCNC'erne fra andre uønskede sideprodukter. Flere centrifugemærker og rotorer er kompatible med denne rensning, hvis g-kraften i protokollen er tilgængelig. G-kraften kan konverteres til rotationer pr. minut baseret på centrifugerotordimensionerne25. Det er acceptabelt at udsætte UCNC'erne for en omgivende atmosfære kortvarigt under centrifugering, så længe de opbevares i en inaktiv atmosfære efter rensning. En begrænsning ved denne syntese er, at atomudbyttet er vanskeligt at kvantificere i forhold til inputkemikalierne. Efter centrifugering skal denne store nanokapselsyntese give ca. 10 g pasta, og den lille syntese skal give ca. 1,0 g kapselpasta. Det er uklart, hvor meget af TEOS der er indarbejdet i fremstillingen af UCNC-skallen. Pelleten, der kasseres efter den første centrifugering, består af silica med stor molekylvægt, der ikke er inkorporeret i UCNC'erne. Efter den anden centrifugering kan supernatanten centrifugeres igen for at øge den indsamlede masse. Det anbefales ikke at øge centrifugeringstiden ud over 16 timer, da den bløde kapselpasta størkner til en kompakt film, der ikke kan dispergeres i andre opløsningsmidler. Alligevel er kapselpastamasserne indsamlet fra batch til batch konsistente og er tilstrækkelige til efterfølgende brug og karakterisering.
UCNC-holdbarheden kan variere fra opløsningsmiddel til opløsningsmiddel såvel som med opbevaringsforhold. Mens UCNC-pastaen opsamlet ved centrifugering er ubrugelig efter 48 timer, når vand fordamper, er nanokapslerne holdbare i en række opløsningsmidler. I vand er UCNC-holdbarheden i størrelsesordenen flere måneder. I akrylsyre reduceres holdbarheden til dage, hovedsagelig fordi akrylsyreopløsningsmidlet er ustabilt og kan gennemgå polymerisation, når det opbevares under iltfrie forhold10,26. Yderligere opløsningsmiddelafhængige undersøgelser af UCNC-holdbarhed er i gang.
Den lille syntese er især nyttig til relative sammenligninger af opkonvertering af fotoluminescens mellem forskellige formuleringer. NC-pastaen opsamlet efter den anden centrifugering skal dispergeres i vand i en koncentration på 100-200 mg ml-1 og fortyndes i acetone (eller et andet opløsningsmiddel efter ønske). Mindst 25 % af opløsningsvolumenet skal indeholde vand (f.eks. 25/75 vand/acetone v/v) for at holde NC'erne suspenderet og forhindre, at der dannes bundfald. Sammenligning af den relative opkonverteringsemission mellem batcher var nødvendig for at bestemme koncentrationerne af sensibilisator og annihilator i denne protokol. Måske kontraintuitivt svarer forholdet mellem sensibilisator og annihilator, der kræves for at maksimere lysudgangen i UC-nanokapsler til 3D-udskrivning, muligvis ikke til det forhold, der maksimerer UC-kvanteudbyttet27 i oliesyrebestandsopløsninger.
Afslutningsvis udvides en detaljeret protokol og bedste praksis til syntetisering af opkonvertering nanokapsler på en trinvis måde10. Da andre metoder til indkapsling af omdannelsesmaterialer til brug i virkelige applikationer kun er kompatible med vandige miljøer16, er denne syntese vigtig, fordi den gør det muligt at anvende omdannelsesmaterialer i forskellige kemiske miljøer, såsom organiske opløsningsmidler. Disse metoder vil tjene til at øge tilgangene til adgang til volumetrisk 3D-print til præcisionsadditiv fremstilling og i enhver applikation, der kræver højenergilys ud over overfladen.
Disclosures
Harvard University har indgivet flere patenter baseret på dette arbejde. SNS, RCS og DNC er medstiftere af Quadratic3D, Inc.
Acknowledgments
Finansiering: Denne forskning finansieres gennem støtte fra Rowland Fellowship ved Rowland Institute ved Harvard University, Harvard PSE Accelerator Fund og Gordon and Betty Moore Foundation. En del af dette arbejde blev udført på Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS), medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), som støttes af National Science Foundation under NSF, Award No. 1541959. En del af dette arbejde blev udført på Stanford Nano Shared Facilities (SNSF), støttet af National Science Foundation under tildeling ECCS-2026822. En del af dette arbejde blev udført på Stanford ChEM-H Macromolecular Structure Knowledge Center.
Anerkendelser: THS og SNS anerkender støtten fra Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowships. MS anerkender økonomisk støtte gennem et Doc. Mobility Fellowship fra Swiss National Science Foundation (projektnr. P1SKP2 187676). PN anerkender støtten fra et Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) som Gabilan Fellow. MH blev delvist støttet af Defense Advanced Research Projects Agency under bevillingsnr. HR00112220010. AOG anerkender støtten fra et National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant DGE-1656518 og et Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) som Scott A. og Geraldine D. Macomber Fellow.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| (3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous | Acros Organic/Fisher Scientific | AC430941000 | |
| 10K MPEG-Silane | Nanosoft Polymers | 2526 | |
| Oleic acid (99%) | Beantown Chemical | 126125 | |
| Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP) | Frontier Scientific | 41217 | |
| tetraethyl orthosilicate, anhydrous | Millipore Sigma | 86578 | |
| TIPS-Anthracene | Millipore Sigma | 731439 | |
| Representative Ultracentrifuge for Nanocapsule Purification | While a smaller centrifuge can be used, the ultracentrifuge is convenient for the 12-14 h centrifugation to isolate upconversion nanocapsule paste. | ||
| 500 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly, 69 x 160 mm - 6Pk | Beckman-Coulter | 355605 | |
| Avanti J-26S XP High-Performance Centrifuge | Beckman-Coulter | Avanti J-26S XP | |
| JA-10 Fixed-Angle Aluminum Rotor- 6 x 500 mL; 10,000 rpm; 17,700 x g | Beckman-Coulter | 369687 | |
| Specialized Fabrication Equipment and Consumable Materials | |||
| 3M 03429NA 051131034297 Scotch Electrical Tape, 3/4-in by 66-ft, Black, 1-Roll, 3/4 Foot | Amazon | ||
| 40 mL scintillation vials (28 mm OD x 95 mm Height, 24-400 thread size) | Fisher Scientific | CG490006 | Small-scale synthesis |
| 500 mL Single Neck RBF, 24/40 Outer Joint | Chemglass | CG-1506-20 | Large-scale synthesis |
| Egg-shaped stir bar for use in a 500 mL round bottom flask (6.35 mm diameter, 16 mm length) | Fisher Scientific | 14-512-122 | Large-scale synthesis |
| Glovebox | Mbraun | LabStar Pro | This is the glovebox used by the authors. However, as long as the oxygen can be maintained at levels below ~10 ppm, any model is acceptable. |
| Magnetic stir plate - inside of glovebox | Any brand | ||
| Magnetic stir plate with temperature control (oil bath or heating blocks) - outside of glovebox | Any brand | ||
| Octagon-shaped stir bar for use in a 40 mL scintillation vial (3 mm diameter, 12 mm length) | VWR | 58947-140 | Small-scale synthesis |
| Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37440 | |
| Precision Seal rubber septa | Millipore Sigma | Z554103-10EA | Large-scale synthesis |
| Vitamix Blender | Vitamix.com | E310 | Large-scale synthesis |
| Vortex Genie 2 | Millipore Sigma | Z258415 | Small-scale synthesis |
| Representative Characterization Instrumentation and Accessories | |||
| Brookhaven Instruments 90Plus Nanoparticle Size Analyzer | Brookhaven Instruments | ||
| M Series 635nm Laser 300-500mW | Dragon Lasers | Incident wavelength for upconversion photoluminescence characterization. The laser should only be used by trained researchers in a dedicated optics space with appropriate safety protocols. The laser should be focused using a lens to increase the incident power density. | |
| P50-1-UV-VIS | Ocean Insight | P50-1-UV-VIS | Patch cord for QE Pro |
| QE Pro Spectrometer | Ocean Insight | QEPRO-VIS-NIR | Spectrometer for collecting upconversion photoluminescence. |
| Supra55VP Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) | Zeiss |
References
- High Resolution SLA and SLS 3D Printers for Professionals. Formlabs. , Available from: https://formlabs.com (2022).
- Zhang, D., Liu, X., Qiu, J. 3D printing of glass by additive manufacturing techniques: a review. Frontiers of Optoelectronics. 14 (3), 263-277 (2021).
- Chen, Z., et al. 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society. 39 (4), 661-687 (2019).
- Zhang, F., et al. A review of 3D printed porous ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 42 (8), 3351-3373 (2022).
- Frazier, W. E. Metal additive manufacturing: A review. Journal of Materials Engineering and Performance. 23 (6), 1917-1928 (2014).
- Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical Reviews. 117 (15), 10212-10290 (2017).
- Bagheri, A., Jin, J. Photopolymerization in 3D printing. ACS Applied Polymer Materials. 1 (4), 593-611 (2019).
- Geng, Q., Wang, D., Chen, P., Chen, S. -C. Ultrafast multi-focus 3-D nano-fabrication based on two-photon polymerization. Nature Communications. 10 (1), 2179 (2019).
- LaFratta, C. N., Li, L. Making two-photon polymerization faster. Three-dimensional Microfabrication using Two-Photon Polymerization. , William Andrew Publishing. 221-241 (2016).
- Sanders, S. N., et al. Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing. Nature. 604 (7906), 474-478 (2022).
- Anscombe, N. Direct laser writing. Nature Photonics. 4 (1), 22-23 (2010).
- Xiong, W., et al. Simultaneous additive and subtractive three-dimensional nanofabrication using integrated two-photon polymerization and multiphoton ablation. Light: Science & Applications. 1 (4), 6 (2012).
- Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. Photon upconversion based on sensitized triplet-triplet annihilation. Coordination Chemistry Reviews. 254 (21), 2560-2573 (2010).
- Rauch, M. P., Knowles, R. R. Applications and prospects for triplet-triplet annihilation photon upconversion. CHIMIA International Journal for Chemistry. 72 (7), 501-507 (2018).
- Seo, S. E., et al. Recent advances in materials for and applications of triplet-triplet annihilation-based upconversion. Journal of Materials Chemistry C. 10 (12), 4483-4496 (2022).
- Ahmad, W., et al. Strategies for combining triplet-triplet annihilation upconversion sensitizers and acceptors in a host matrix. Coordination Chemistry Reviews. , 439-213944 (2021).
- Stetefeld, J., McKenna, S. A., Patel, T. R. Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences. Biophysical Reviews. 8 (4), 409-427 (2016).
- Speckbacher, M., Yu, L., Lindsey, J. S. Formation of porphyrins in the presence of acid-labile metalloporphyrins: A new route to mixed-metal multiporphyrin arrays. Inorganic Chemistry. 42 (14), 4322-4337 (2003).
- Congrave, D. G., et al. Suppressing aggregation induced quenching in anthracene based conjugated polymers. Polymer Chemistry. 12 (12), 1830-1836 (2021).
- Titration: Principles, volumetric analysis | General Chemistry. JoVE. , Available from: https://www.jove.com/v/5699/introduction-to-titration (2022).
- Cushing, B. L., Kolesnichenko, V. L., O'Connor, C. J. Recent advances in the liquid-phase syntheses of inorganic nanoparticles. Chemical Reviews. 104 (9), 3893-3946 (2004).
- Han, L., et al. Anionic surfactants templating route for synthesizing silica hollow spheres with different shell porosity. Solid State Sciences. 13 (4), 721-728 (2011).
- Kwon, O. S., Kim, J. -H., Cho, J. K., Kim, J. -H. Triplet-triplet annihilation upconversion in CdS-decorated SiO2 nanocapsules for sub-bandgap photocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (1), 318-325 (2015).
- Brinker, C. J., Scherer, G. W. Sol-Gel Science: the Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).
- G Force Calculator - RCF to RPM. , Acrylic acid (HSG 104 (2022).
- Acrylic acid (HSG 104, 1997). , Available from: https://inchem.org/documents/hsg/hsg/v104hsg.htm (2022).
- de Mello, J. C., Wittmann, H. F., Friend, R. H. An improved experimental determination of external photoluminescence quantum efficiency. Advanced Materials. 9 (3), 230-232 (1997).
