Summary
Questo protocollo descrive in dettaglio la sintesi di nanocapsule upconversion per il successivo utilizzo in resine fotopolimerizzabili per la stampa 3D volumetrica facilitata dalla tripletta fusion upconversion.
Abstract
La conversione di fusione tripletta (UC) consente la generazione di un fotone ad alta energia da due fotoni a bassa energia. Questo processo ben studiato ha implicazioni significative per la produzione di luce ad alta energia oltre la superficie di un materiale. Tuttavia, l'implementazione di materiali UC è stata ostacolata a causa della scarsa solubilità del materiale, dei requisiti di alta concentrazione e della sensibilità all'ossigeno, con conseguente riduzione dell'emissione luminosa. A tal fine, la nanoincapsulazione è stata un motivo popolare per aggirare queste sfide, ma la durata è rimasta elusiva nei solventi organici. Recentemente, è stata progettata una tecnica di nanoincapsulazione per affrontare ciascuna di queste sfide, dopo di che una nanogoccia di acido oleico contenente materiali di conversione è stata incapsulata con un guscio di silice. In definitiva, queste nanocapsule (NC) erano abbastanza resistenti da consentire la stampa volumetrica tridimensionale (3D) facilitata dalla tripletta di conversione della conversione. Incapsulando i materiali di conversione con silice e disperdendoli in una resina di stampa 3D, è stato reso possibile il fotopatterning oltre la superficie della vasca di stampa. Qui vengono presentati protocolli video per la sintesi di NC upconversion sia per lotti su piccola scala che su larga scala. I protocolli delineati servono come punto di partenza per adattare questo schema di incapsulamento a più schemi di conversione per l'uso in applicazioni di stampa 3D volumetrica.
Introduction
Allontanarsi dai processi di produzione sottrattivi (cioè forme complesse realizzate intagliando blocchi di materia prima) può ridurre gli sprechi e aumentare i tassi di produzione. Di conseguenza, molte industrie si stanno muovendo verso processi di produzione additiva, in cui gli oggetti sono costruiti strato per strato1 mediante stampa tridimensionale (3D). Molti stanno lavorando per sviluppare processi di produzione additiva per numerose classi di materiali (ad esempio, vetro2, ceramica3,4, metalli 5 e plastica 6,7).
Questa polimerizzazione strato per strato limita la selezione della resina e influisce sulle proprietà meccaniche della stampa 6,7. Considerando la stampa 3D basata sulla luce per la produzione di materie plastiche, la stampa basata sull'assorbimento di due fotoni (2PA) si allontana dai processi strato per strato stampando volumetricamente8. Il processo 2PA richiede l'assorbimento simultaneo di due fotoni per avviare la polimerizzazione. Ciò non solo aumenta la potenza necessaria, ma aumenta anche la complessità e il costo del sistema di stampa, limitando le dimensioni di stampa alla scala mm3 o inferiorea 9.
Recentemente, una nuova metodologia di stampa 3D che utilizza la tripletta fusion upconversion (UC) ha reso possibile la stampa 3D volumetrica con UC sulla scala cm3 10. Sorprendentemente, questo processo richiede un'irradiazione a densità di potenza relativamente bassa10 rispetto alla stampa basata su 2PA 9,11,12. Il processo di upconversion converte due fotoni a bassa energia in un fotone13 ad alta energia e la luce convertita viene assorbita dal fotoiniziatore per avviare la polimerizzazione. L'implementazione di materiali UC per la fusione a tripletta è stata tradizionalmente impegnativa a causa degli elevati requisiti di concentrazione del materiale, della scarsa solubilità e della sensibilità all'ossigeno13,14,15. L'incapsulamento di materiali UC utilizzando una varietà di schemi di nanoparticelle è stato ben studiato16, ma non è all'altezza della durata richiesta nei solventi organici. Il protocollo sintetico della nanocapsula di conversione dell'acido oleico rivestito di silice (UCNC) qui descritto supera questa sfida di durata per la dispersione dei materiali UC in un'ampia varietà di solventi organici, comprese le resine per la stampa 3D10. La luce convertita generata dai materiali all'interno delle nanocapsule è modellata in più dimensioni per generare oggetti solidi privi di struttura di supporto, che consente di stampare strutture ad alta risoluzione con una risoluzione di soli 50 μm10. Rimuovendo le strutture di supporto e stampando in un ambiente privo di ossigeno, le nuove sostanze chimiche delle resine sono accessibili per ottenere proprietà dei materiali sia migliorate che nuove inaccessibili con la stereolitografia tradizionale.
Qui, il protocollo sintetico UCNC è delineato per incapsulare il sensibilizzatore (palladio (II) meso-tetrafenil tetrabenzoporfina, PdTPTBP) e l'annichilatore (9,10-bis((triisopropilsilil)etinil)antracene, TIPS-an) a due scale diverse. La sintesi su larga scala fornisce materiale per fornire ~ 10 g di pasta di nanocapsule upconversion per l'uso in resine di stampa 3D. La sintesi su piccola scala per ~ 1 g di pasta di nanocapsule upconversion consente l'ottimizzazione di nuovi contenuti di nanocapsule. Questo protocollo supporterà l'integrazione di successo delle UCNC di fusione tripletta in una varietà di flussi di lavoro di stampa 3D e altre applicazioni.
Protocol
1. Sintesi di nanocapsule upconversion su larga scala
- In un vano portaoggetti (vedi Tabella dei materiali) con un'atmosfera inerte sotto luce rossa, preparare soluzioni sature di sensibilizzatore (PdTPTBP) e annichilatore (TIPS-antracene) (vedi Tabella dei materiali) in acido oleico al 99% a temperatura ambiente (~22 °C).
- Aggiungere 2 mL di acido oleico a 20 mg di PdTPTBP in un flaconcino con agitatore bar. Quindi, coprire il flaconcino con un foglio per proteggerlo dalla luce ambientale. Aggiungere 2 ml di acido oleico a 25 mg di TIPS-antracene in un flaconcino con una barra di agitazione.
- Agitare le miscele a 600 giri/min per almeno 4 ore prima di filtrare con un filtro a siringa in PTFE da 0,45 μm. Ogni soluzione deve avere visibilmente solido non disciolto da rimuovere mediante filtrazione, il che significa che ogni soluzione è satura.
- Utilizzando una siringa, preparare 1,75 mL della soluzione madre di materiale di conversione mescolando 0,7 mL della soluzione filtrata di TIPS-antracene, 0,35 mL della soluzione filtrata di PdTPTBP e 0,7 mL di acido oleico.
NOTA: La soluzione di upconversion utilizzata per le nanocapsule ha un rapporto di 2:1:2 di TIPS-antracene a PdTPTBP in volume di acido oleico.
- Misurare 4 g di 10K MPEG-silano in un flaconcino pulito da 20 mL in modo che sia pronto per l'uso durante la sintesi. Questo può essere condotto all'interno o all'esterno del vano portaoggetti. Se questo materiale viene misurato al di fuori del vano portaoggetti, fissare il coperchio del flaconcino con pellicola sigillante o nastro isolante prima di portarlo nel vano portaoggetti.
- In un matraccio Erlenmeyer da 250 mL sigillato con un setto, raffreddare 200 mL di acqua deionizzata ultrapura in un bagno di ghiaccio per almeno 1 ora per raggiungere ~5 °C . In genere, questo richiede alcune ore.
- Fissare il setto al matraccio usando almeno sei pezzi di pellicola sigillante. Questo per garantire che il setto rimanga fissato quando il pallone è sotto vuoto nell'anticamera del vano portaoggetti.
- Portare l'acqua refrigerata nel vano portaoggetti immediatamente prima di preparare le nanocapsule. Tirare un leggero aspirapolvere sull'anticamera solo quando si porta l'acqua tirando il 20% di vuoto in base alla misurazione sul manometro dell'anticamera.
- Dopo aver portato l'acqua nel vano portaoggetti, attivare immediatamente la funzione di spurgo del vano portaoggetti per bypassare la colonna. Questo rimuove l'ossigeno introdotto quando si porta l'acqua sotto vuoto leggero e prolunga la vita della colonna. Mantenere lo spurgo fino al completamento della sintesi e tutti i rifiuti sono stati rimossi dal vano portaoggetti.
- Assicurarsi che tutti i prodotti chimici e i materiali di consumo siano pronti all'uso, comprese siringhe e aghi per l'erogazione di (3-amminopropil)trietossisilano (APTES) e tetraetilortosilicato. Assicurati che il 10K MPEG-silano sia a portata di mano. Per la pulizia sono utili anche i panni di nylon da avere a disposizione.
- Collegare il frullatore (vedere Tabella dei materiali). Coprire le prese elettriche con un bidone di plastica o un panno di nylon. Questa barriera consente la protezione in caso di perdite impreviste del frullatore. Assicurati che il frullatore sia spento.
- Versare con cura l'acqua nel frullatore. Aggiungere 1,45 mL della soluzione madre di materiale di conversione (preparata al punto 1.1.3) in una porzione con una siringa al centro dell'acqua nel frullatore.
- Fissare il coperchio e coprirlo con una salvietta di nylon in caso di perdita imprevista. Frullare alla massima velocità (22.600 giri/min) per esattamente 60 secondi tenendo premuto il coperchio del frullatore per evitare piccole perdite.
- Spegnere il frullatore e spostarlo per garantire uno spazio di lavoro adeguato.
- Trasferire l'emulsione in un matraccio inferiore rotondo da 500 ml. Fissare il pallone a una piastra di agitazione con un morsetto. Mescolare energicamente l'emulsione a 1200 giri/min con un agitatore a forma di uovo (vedi Tabella dei materiali).
- Utilizzando una siringa, aggiungere 0,75 ml di APTES all'emulsione per generare una soluzione limpida di micelle.
- Aggiungere 4 g di 10K MPEG-silano per prevenire l'aggregazione della capsula. Agitare il pallone se necessario per assicurarsi che sia disperso. Agitare a 1200 giri/min per circa 10 minuti.
- Durante questo periodo, asciugare il frullatore e il coperchio con un panno di nylon. Usa le pinze per tenere le mani lontane dalle affilate lame del frullatore.
- Dopo 10 minuti, aggiungere 15 ml di tetraetilortosilicato in una porzione usando una siringa da 20 ml. Aggiungere altri 15 ml di tetraetilortosilicato in una porzione utilizzando una siringa da 20 mL per un totale di 30 ml. Applicare un setto al matraccio e mescolare a 1200 giri/min per 30 minuti.
- Rimuovere il pallone e i rifiuti dal vano portaoggetti e spegnere lo spurgo del vano portaoggetti.
- Fissare il pallone a una piastra di agitazione con un elemento riscaldante, come un bagno d'olio o un blocco riscaldante in alluminio. Collegare il pallone a una linea Schlenk in modo che la reazione sia mantenuta a una pressione costante sotto un gas inerte come azoto o argon.
- Agitare e riscaldare la reazione a 65 °C ad una velocità di 1200 giri/min per 40 ore.
- Dopo 40 ore, scollegare la reazione dalla linea Schlenk per aggiungere 4 g di 10K MPEG-silano. Ricollegare la reazione alla linea di Schlenk. Agitare e riscaldare la reazione a 65 °C a 1200 giri/min per 8 ore.
- Dopo 8 ore, spegnere il fuoco e lasciare raffreddare la reazione a temperatura ambiente mescolando a 1200 giri / min.
- Quando la reazione è fredda, trasferire la reazione in provette da centrifuga.
- Per una centrifuga (vedere la tabella dei materiali) che contiene 50 mL di provette da centrifuga, dividere equamente la reazione tra 10 provette.
- Per una centrifuga che contiene provette da centrifuga da 0,5 litri, dividere equamente la reazione tra due provette da centrifuga.
- Centrifugare la sospensione a 8670 x g per 1 h ad una temperatura di 20-22 °C. Scartare il pellet e conservare il surnatante contenente le nanocapsule.
- Centrifugare il surnatante a 8670 x g per 14-16 h a 20-22 °C.
- Scartare il surnatante e raccogliere il pellet contenente nanocapsule di upconversion.
- Utilizzando una pipetta, sciacquare accuratamente la superficie superiore del pellet di nanocapsule con acqua deionizzata ultrapura (2 x 10 ml). Questo dovrebbe essere condotto a un flusso basso in modo che il pellet non venga spostato dal tubo della centrifuga.
- Trasferire la pasta di nanocapsule in due o tre flaconcini separati a scintillazione da 20 mL con una spatola e portare immediatamente i flaconcini nel vano portaoggetti. È necessario recuperare circa 7-10 g di pasta di nanocapsule.
NOTA: Per un ulteriore utilizzo, si raccomanda che le nanocapsule siano disperse in un solvente come un monomero per la stampa 3D o acqua deionizzata ultrapura deossigenata entro 48 ore dalla sintesi. L'acqua evaporerà dalla pasta di nanocapsule e lascerà le nanocapsule inutilizzabili dopo 48 ore.
- Eseguire la microscopia elettronica a scansione (SEM), la diffusione dinamica della luce (DLS) e la fotoluminescenza di upconversion per caratterizzare la preparazione della nanocapsula.
2. Sintesi di nanocapsule upconversion su piccola scala
- Preparare le soluzioni madre del sensibilizzatore e dell'annichilatore come descritto al punto 1.1. Ridurre il volume della soluzione utilizzata per produrre nanocapsule di conversione a 250 μL invece di 1,75 ml descritti nella fase 1.1. Mescolare 100 μL della soluzione filtrata TIPS-an con 50 μL della soluzione filtrata di PdTPTBP e 100 μL di acido oleico.
- Spargere vigorosamente 20 mL di acqua deionizzata ultrapura in un flaconcino a scintillazione da 40 mL (vedere Tabella dei materiali) con un gas inerte, come azoto o argon, utilizzando una linea Schlenk per almeno 10 minuti. Fissare il coperchio con nastro isolante o pellicola sigillante prima di portare il flaconcino nel vano portaoggetti.
NOTA: Se si effettuano più campioni su piccola scala contemporaneamente, è possibile degassare sufficientemente volumi di acqua più grandi miscelando 200 ml di acqua refrigerata come descritto nella sezione 1 utilizzando una brocca per frullatore pulita e inutilizzata. L'acqua di sparging con un gas inerte su una linea Schlenk non è efficace a volumi superiori a 20 ml. - Misurare 400 mg di 10K MPEG-silano in modo che sia pronto per l'uso durante la sintesi in un flaconcino pulito da 10 ml. Questo può essere condotto all'interno o all'esterno del vano portaoggetti. Se questo viene misurato al di fuori del vano portaoggetti, fissare il coperchio del flaconcino con pellicola sigillante o nastro isolante prima di portarlo nel vano portaoggetti.
- Portare l'acqua spargata nel vano portaoggetti e attivare immediatamente la funzione di spurgo del vano portaoggetti per bypassare la colonna. Questo elimina l'ossigeno introdotto quando si porta l'acqua sotto vuoto leggero e prolunga la vita della colonna. Lo spurgo deve rimanere acceso fino al completamento della sintesi e tutti i rifiuti sono stati rimossi dal vano portaoggetti.
- Assicurarsi che tutti i prodotti chimici e i materiali di consumo (siringhe da 5 ml e una micropipetta con punte) siano pronti per l'uso.
- Utilizzando una siringa, rimuovere 1 mL di (3-amminopropil)trietossisilano dal flacone e distribuirlo in un flaconcino pulito da 20 mL etichettato per un uso successivo.
- Utilizzando una siringa, rimuovere 5 ml di tetraetilortosilicato e distribuirlo in un flaconcino pulito da 20 mL etichettato per un uso successivo.
- Assicurati che il 10K MPEG-silano sia a portata di mano nel vano portaoggetti.
- Per la pulizia, è utile avere a disposizione anche panni extra in nylon.
- Collegare il miscelatore a vortice (vedere Tabella dei materiali) e impostare la velocità massima (3200 giri/min).
- Utilizzando una micropipetta, aggiungere 145 μL di soluzione madre sensibilizzante/annichilatore in un flaconcino d'acqua (20 ml). Fissare il coperchio con nastro isolante o pellicola sigillante.
- Vortex la soluzione alla massima velocità del miscelatore di vortici (3200 rpm) per 7 min per garantire la formazione di nanogoccioline simile alla sintesi su larga scala. Tenere il flaconcino vicino alla base e non aggrapparsi mai al coperchio del flaconcino durante il vortice, poiché il coperchio può allentarsi e staccarsi dal flaconcino.
- Fissare il flaconcino su una piastra di agitazione. Mescolare l'emulsione a 1200 giri/min con un agitatore ottagono (vedi Tabella dei materiali).
- Utilizzando una micropipetta, aggiungere 75 μL di APTES per generare una soluzione limpida di micelle.
- Dopo aver generato la soluzione limpida, aggiungere immediatamente 400 mg di 10K MPEG-silano. Fissare il coperchio e agitare il flaconcino per miscelare efficacemente la reazione. Riportare il flaconcino nella piastra di agitazione.
- Utilizzando una siringa, aggiungere 3 ml di tetraetilortosilicato in sequenza mentre la reazione viene agitata a 1200 giri / min. Fissare il coperchio e agitare il flaconcino per miscelare efficacemente la reazione. Mescolare la reazione a 1200 giri / min fino a quando non viene rimossa dal vano portaoggetti.
- Sigillare il flaconcino con nastro isolante o pellicola sigillante e rimuovere il flaconcino dal vano portaoggetti.
- Riscaldare la soluzione a 65 °C utilizzando un bagno d'olio o un blocco riscaldante in alluminio. Agitare la reazione a 1200 giri / min per 40 ore.
- Dopo 40 ore, aggiungere 400 mg di 10K MPEG-silano. Richiudere il flaconcino con nastro isolante o pellicola sigillante. Agitare la reazione a 1200 giri/min per 8 ore.
- Lasciare raffreddare la reazione a temperatura ambiente mescolando a 1200 giri/min. Quando la reazione è fredda, unire le miscele di reazione in una provetta da centrifuga da 50 ml.
- Centrifugare la sospensione a 8670 x g per 1 h ad una temperatura di 20-22 °C. Scartare il pellet e conservare il surnatante contenente le nanocapsule.
- Centrifugare il surnatante a 8670 x g per 14-16 h a 20-22 °C.
- Eliminare il surnatante e conservare il pellet contenente nanocapsule di conversione superiore. Utilizzando una pipetta, sciacquare accuratamente la superficie superiore del pellet di nanocapsule con 2 x 1 mL di acqua deionizzata ultrapura. Questo dovrebbe essere condotto a un flusso basso in modo che il pellet non venga spostato dal tubo della centrifuga.
- Trasferire la pasta di nanocapsule in un flaconcino a scintillazione da 20 mL con una spatola e portare immediatamente i flaconcini nel vano portaoggetti. Devono essere recuperati circa 700-1000 mg di pasta di nanocapsule.
NOTA: Per un ulteriore utilizzo, si raccomanda che le nanocapsule siano disperse in un solvente, come un monomero per la stampa 3D o acqua deionizzata ultrapura deossigenata, entro 48 ore. L'acqua evaporerà dalla pasta della nanocapsula e lascerà le nanocapsule inutilizzabili dopo 48 ore.
Representative Results
La Figura 1 mostra una rappresentazione a fumetti del protocollo di sintesi delle nanocapsule di upconversione. Vengono enfatizzati i parallelismi tra la preparazione UCNC su piccola e larga scala, come la generazione di emulsione di olio in acqua e l'aggiunta di sostanze chimiche per sintetizzare il guscio di silice. Dalla sintesi su piccola scala, 700-1000 mg di pasta UCNC vengono tipicamente raccolti, mentre 7-10 g di UCNC vengono tipicamente raccolti dalla sintesi su larga scala.
Le nanocapsule sono state caratterizzate utilizzando una combinazione di tecniche spettroscopiche e microscopiche10. Per preparare i campioni per SEM, un film è stato gettato a goccia da una soluzione di pasta di nanocapsule da 100 mg mL-1 dispersa in acqua su un substrato SEM conduttivo appropriato e lasciata asciugare. La conduttività delle nanocapsule è intrinsecamente bassa, ma comunque sufficiente per la caratterizzazione senza l'aggiunta di un altro materiale conduttivo. Un'immagine SEM rappresentativa (Figura 2A) mostra le nanocapsule relativamente monodisperse con diametri di ~50 nm ottenute con questo protocollo. Una limitazione dell'uso di SEM per caratterizzare la morfologia delle UCNC è che sono instabili sotto vuoto ultra alto per lunghi periodi di tempo. Sotto vuoto ultraelevato necessario per le misurazioni SEM, le UCNC possono essere visualizzate con successo se funzionano in modo efficiente, in genere entro 30 minuti. Le UCNC si fondono sotto alto vuoto dopo circa 30 minuti sotto vuoto ultra alto (Figura 2B). Questa fusione non si osserva in condizioni ambientali seguendo la procedura descritta nel presente protocollo (vedi infra). Anche alla luce delle considerazioni di stabilità sotto vuoto, la microscopia elettronica è ancora un metodo utile per valutare la morfologia tipica delle UCNC.
La diffusione dinamica della luce (DLS) è un'altra tecnica utile per caratterizzare il diametro idrodinamico medio della nanocapsula in soluzione. I campioni per DLS possono essere facilmente preparati con un campione di UCNC diluiti. Qui, un campione del surnatante recuperato dopo la prima centrifuga (fase 1.23 o 2.17) è stato caratterizzato da DLS. Il surnatante è stato diluito di un fattore 10x con acqua deionizzata ultrapura e filtrato con un filtro PVDF da 0,2 μm per rimuovere particelle e polveri di grandi dimensioni. In alternativa, è possibile caratterizzare la pasta UCNC ad una concentrazione di 100 mg mL-1 in acqua deionizzata ultrapura diluita 10x e filtrata con un filtro PVDF da 0,2 μm. Il diametro idrodinamico è stato misurato utilizzando DLS per essere <100 nm da lotto a lotto, tipicamente nell'intervallo 65-90 nm10. L'aggregazione di nanoparticelle non è osservata in queste condizioni di caratterizzazione, eliminando la necessità di un elettrolita aggiuntivo10. Diametri UCNC simili possono essere generati da protocolli su larga scala o su piccola scala; le tracce rappresentative di una scansione sono presentate nella Figura 2C. A causa del moto browniano e del processo matematico di adattamento all'equazione di Stokes-Einstein, molte scansioni sono mediate insieme per determinare i diametri idrodinamici medi17. I diametri idrodinamici medi per i campioni mostrati nella figura 2C sono ~75 nm per il lotto grande (polidispersità, PDI: 0,21) e ~66 nm (PDI: 0,15) per il piccolo lotto presentato. Questa variazione del diametro idrodinamico è tipica da lotto a lotto, indipendentemente dalla scala di reazione.
Infine, la caratterizzazione ottica è fondamentale per valutare l'integrità dell'incapsulamento del guscio di silice (Figura 2D). Qui, un campione del surnatante recuperato dopo la prima centrifuga è stato diluito di 10 volte in acetone deossigenato nel vano portaoggetti. Il campione è stato diluito in acetone per testare l'integrità strutturale delle UCNC. Nella Figura 2D, l'emissione di conversione dell'antracene è chiaramente presente all'irradiazione con un laser a 635 nm, il che significa che il guscio medio di silice rimane intatto. Se i gusci di silice sono troppo sottili, la conversione luminosa è estremamente bassa dopo l'irradiazione con un laser a 635 nm. Ciò è dovuto al fatto che i contenuti di conversione vengono disciolti e diluiti in acetone a una concentrazione troppo bassa per generare emissioni luminose convertite10.
Figura 1: Una rappresentazione a fumetti del processo sintetico delle nanocapsule di conversione su piccola e grande scala. Questa figura è stata creata con Biorender.com. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Caratterizzazione rappresentativa delle nanocapsule mediante microscopia e spettroscopia . (A) La SEM degli UCNC mostra la scala e l'uniformità della sintesi delle nanocapsule di upconversione. Barra di scala = 200 nm. (B) SEM degli UCNC che si sono fusi sotto ultra-alto vuoto nel corso di ~ 30 min. I campioni SEM sono stati preparati mediante soluzioni di drop-casting di UCNC in acqua ultrapura deionizzata. Barra della scala = 20 μm. (C) Tracce rappresentative DLS di nanocapsule upconversion preparate su piccola scala e su larga scala. Gli UCNC sono stati diluiti in acqua ultrapura deionizzata. (D) L'emissione di conversione di TIPS-an in UCNC diluiti in acetone è stata generata dopo irradiazione con un laser a 635 nm a ~65 W cm-2. Questa conversione luminosa significa che i gusci di silice sono abbastanza spessi da impedire la fuoriuscita del contenuto della nanocapsula. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Discussion
Ci sono diverse considerazioni quando si preparano nanocapsule di conversione luminosa. In primo luogo, la sintesi è completata in un vano portaoggetti perché i materiali di conversione devono essere protetti dall'ossigeno: è ben noto che l'emissione luminosa convertita è ridotta in presenza di ossigeno13,14,15,16. Inoltre, le soluzioni madre di sensibilizzatore e annichilatore devono essere preparate fresche per ogni lotto. È stato dimostrato che PdTPTBP e altre porfirine metallizzate demetallizzano nell'illuminazione ambientale in presenza di acido18 e gli antraceni sono noti per aggregarsi nel tempo19. Questi effetti possono essere minimizzati preparando nuove soluzioni sotto luce rossa per ogni sintesi. Gli autori osservano che una rigorosa illuminazione rossa non è più necessaria una volta che la porfirina metallata e l'antracene sono mescolati e l'illuminazione ambientale è accettabile da usare dopo questo passaggio. Infine, per la sintesi su larga scala, si raccomanda di preparare almeno 1,75 ml della soluzione madre di upconverting, poiché l'aggiunta di meno di 1,45 ml di questa soluzione per produrre UCNC altererà le proporzioni di tutti gli altri reagenti richiesti e la formazione di nanogoccioline dipendenti dalla concentrazione. Allo stesso modo, per la sintesi su piccola scala, si raccomanda di preparare 250 μL della soluzione madre di conversione nelle stesse proporzioni. Infine, quando si utilizza una micropipetta per l'erogazione delle soluzioni di acido oleico, rilasciare lentamente lo stantuffo e attendere che si alzi completamente per erogare il volume desiderato. L'acido oleico riempirà lentamente la punta della pipetta a causa della sua elevata viscosità ed è facile erogare inavvertitamente meno soluzione del previsto.
È importante capire che la generazione di nanogoccioline di acido oleico è sensibile al tempo di miscelazione, alla velocità e ai cambiamenti significativi di temperatura. Ad esempio, la selezione del frullatore è significativa e può influire sulla formazione di nanogoccioline di acido oleico. Diverse marche di frullatori sono state testate nelle fasi iniziali di sviluppo. Il frullatore raccomandato nella tabella dei materiali ha portato alla generazione di nanocapsule relativamente superiori e riproducibili descritte in questo protocollo. In particolare, una potente miscelazione aumenta la temperatura dell'emulsione e riduce l'efficienza di formazione di nanogoccioline di acido oleico. Le lame del frullatore devono essere completamente immerse in acqua per controllare al meglio la temperatura, che è stata una considerazione per determinare il volume d'acqua richiesto presentato qui10. Inoltre, raffreddare l'acqua in anticipo riduce l'aggregazione di goccioline nell'emulsione, che alla fine migliora la resa della nanocapsula per la sintesi su larga scala. D'altra parte, per la sintesi su piccola scala, raffreddare l'acqua non altera significativamente la formazione di nanogoccioline oleiche, probabilmente perché tenere la fiala da 40 ml non aumenta la temperatura dell'acqua tanto quanto le lame del frullatore.
L'aggiunta di APTES è un passaggio sintetico significativo, poiché APTES stabilizza le nanogoccioline di acido oleico generate dalla miscelazione o dal vortice. L'emulsione iniziale di nanogoccioline è una dispersione torbida e torbida. Dopo l'aggiunta di APTES, la soluzione diventa chiara e trasparente man mano che le nanogoccioline vengono stabilizzate. In media, i volumi APTES richiesti sono molto vicini a quanto presentato nel protocollo, ma a volte è necessario un po 'meno o leggermente più APTES perché la soluzione diventi chiara. Pertanto, l'aggiunta di APTES deve essere trattata in modo analogo all'esecuzione di altre titolazioni20. L'aggiunta di troppa APTES (cioè oltre una soluzione "appena chiara") interromperà la formazione di gusci di nanocapsule e ridurrà la resa. A tal fine, se sono necessari volumi significativamente diversi di APTES per produrre una sospensione chiara, o se non viene mai raggiunta una sospensione chiara, ciò indica che è necessaria la risoluzione dei problemi per ottimizzare la formazione di nanogoccioline di acido oleico. Ad esempio, se la generazione di nanodroplet è inefficiente, il volume delle gocce e quindi la superficie della nanogoccia saranno più grandi del previsto e potrebbero richiedere più APTES. Questo è stato osservato nella sintesi su piccola scala e può essere risolto in vari modi, come la forza utilizzata per tenere una fiala contro il miscelatore del vortice o aumentando il tempo di vortice.
Inoltre, il 10K MPEG-silano deve essere aggiunto immediatamente dopo APTES per impedire l'aggregazione e non può essere omesso10. Senza l'aggiunta di 10K MPEG-silano, si osserva un'aggregazione irreversibile entro ~ 30 minuti sotto forma di generazione di precipitati. Sebbene il 5K MPEG-silano possa essere sostituito dal 10K MPEG-silano, gli MPEG-silani a basso peso molecolare non impediscono sufficientemente l'aggregazione a concentrazione costante.
La formazione del guscio di silice è la chiave per conferire durabilità UCNC quando disperso in varie soluzioni. Mentre la crescita del guscio di silice è generalmente ben studiata 21,22,23, la catalisi acida o base 21 spesso usata per promuovere la crescita della silice non viene utilizzata qui, poiché il riscaldamento è sufficiente per generare un guscio di silice reticolato durevole. Per monitorare la formazione del guscio di silice nel tempo, si dovrebbe osservare una conversione luminosa dopo una diluizione 100x di un'aliquota di reazione della nanocapsula in un solvente organico, come l'acetone, con una fosforescenza sensibilizzante minima per il sistema PdTPTBP/TIPS-an (Figura 2D e riferimento10). Tipicamente, la conversione luminosa è osservabile dopo circa 24 ore, ma 48 ore aumenteranno l'emissione relativa, il che significa che una popolazione più ampia di UCNC possiede un guscio durevole. Si noti che l'emissione UC dipende dalla potenza di irradiazione e che devono essere impiegate densità di potenza sufficienti. Ad esempio, nel sistema qui descritto, sono necessarie densità di potenza dell'ordine di ~ 65 W cm-2 per vedere PL convertiti luminosi.
La seconda aggiunta di 10K MPEG-silano dopo 40 ore di crescita della silice migliora la dispersibilità delle nanocapsule nei solventi organici. Mentre gli UCNC saranno ancora dispersibili in più solventi senza questa seconda aggiunta di 10K MPEG-silano, la seconda aggiunta è altamente raccomandata per aumentare i carichi di UCNC in massa in soluzione. Ad esempio, per l'uso in una resina di stampa 3D, 0,67 g di mL-1 di pasta di nanocapsule sono stati dispersi in acido acrilico10.
L'esposizione degli UCNC all'ossigeno durante l'intero processo di fabbricazione di più giorni comporta l'ingresso di ossigeno in concentrazioni che riducono significativamente la fotoluminescenza di conversione. Per garantire che venga mantenuta un'atmosfera inerte durante le 48 ore di agitazione in un'atmosfera ambiente, vengono invocati protocolli diversi a seconda della scala di reazione. Su larga scala, l'etanolo generato durante la crescita della silice può produrre pressioni significative che possono portare alla rimozione di un setto apposto o alla perdita di integrità strutturale del recipiente di reazione24. Pertanto, il matraccio da 500 mL deve essere collegato a una linea Schlenk per consentire un rilascio di pressione in atmosfera inerte. Su piccola scala, sigillare una fiala di vetro da 40 ml con pellicola sigillante o nastro isolante mantiene l'integrità strutturale del sigillo. Senza sigillare il coperchio della fiala, l'aumento della pressione sfilerà lentamente il coperchio e consentirà l'ingresso di ossigeno.
La purificazione a reazione mediante centrifugazione separa gli UCNC da altri prodotti collaterali indesiderati. Più marche di centrifughe e rotori sono compatibili con questa purificazione se la forza g fornita nel protocollo è accessibile. La forza g può essere convertita in rotazioni al minuto in base alle dimensioni del rotore della centrifuga25. L'esposizione degli UCNC a un'atmosfera ambiente durante la centrifugazione è accettabile purché siano immagazzinati in atmosfera inerte dopo la purificazione. Una limitazione di questa sintesi è che la resa atomica è difficile da quantificare in relazione alle sostanze chimiche in ingresso. Dopo la centrifugazione, questa sintesi di nanocapsule su larga scala dovrebbe produrre circa 10 g di pasta e la sintesi su piccola scala dovrebbe produrre circa 1,0 g di pasta di capsule. Non è chiaro quanta parte del TEOS sia incorporata nella realizzazione della shell UCNC. Il pellet scartato dopo la prima centrifugazione è costituito da silice di grande peso molecolare che non è incorporata nelle UCNC. Dopo la seconda centrifugazione, il surnatante può essere nuovamente centrifugato per aumentare la massa raccolta. Non è consigliabile aumentare il tempo di centrifugazione oltre le 16 ore, poiché la pasta morbida della capsula si solidifica in un film compatto che non può essere disperso in altri solventi. Anche così, le masse di pasta di capsule raccolte da lotto a lotto sono coerenti e sono sufficienti per l'uso e la caratterizzazione successivi.
La durata dell'UCNC può variare da solvente a solvente e in base alle condizioni di conservazione. Mentre la pasta UCNC raccolta dalla centrifugazione è inutilizzabile dopo 48 ore poiché l'acqua evapora, le nanocapsule sono durevoli in una varietà di solventi. In acqua, la durata dell'UCNC è dell'ordine di diversi mesi. Nell'acido acrilico, la durata è ridotta a giorni principalmente perché il solvente dell'acido acrilico è instabile e può subire polimerizzazione se conservato in condizioni prive di ossigeno10,26. Sono in corso ulteriori indagini sulla durabilità dell'UCNC dipendenti dai solventi.
La sintesi su piccola scala è particolarmente utile per confronti relativi della fotoluminescenza di upconversion tra diverse formulazioni. La pasta NC raccolta dopo la seconda centrifugazione deve essere dispersa in acqua a concentrazione di 100-200 mg mL-1 e diluita in acetone (o altro solvente come desiderato). Almeno il 25% del volume della soluzione deve contenere acqua (ad esempio, 25/75 acqua/acetone v/v) per mantenere i NC sospesi e prevenire la formazione di precipitati. Il confronto delle emissioni relative di conversione tra i lotti è stato necessario per determinare le concentrazioni di sensibilizzatore e annichilatore in questo protocollo. Forse controintuitivamente, il rapporto tra sensibilizzatore e annichilatore richiesto per massimizzare l'emissione luminosa nelle nanocapsule UC per la stampa 3D potrebbe non essere equivalente al rapporto che massimizza la resa quantica UC27 nelle soluzioni stock di acido oleico.
In conclusione, un protocollo dettagliato e le migliori pratiche per sintetizzare nanocapsule upconversion sono ampliati in modo graduale10. Poiché altri metodi per incapsulare materiali upconversion da utilizzare in applicazioni reali sono compatibili solo con ambienti acquosi16, questa sintesi è significativa perché consente di distribuire materiali di conversione in diversi ambienti chimici, come i solventi organici. Questi metodi serviranno ad aumentare gli approcci per accedere alla stampa 3D volumetrica per la produzione additiva di precisione e in qualsiasi applicazione che richieda luce ad alta energia oltre la superficie.
Disclosures
L'Università di Harvard ha depositato diversi brevetti basati su questo lavoro. SNS, RCS e DNC sono co-fondatori di Quadratic3D, Inc.
Acknowledgments
Finanziamento: Questa ricerca è finanziata attraverso il supporto della Rowland Fellowship presso il Rowland Institute dell'Università di Harvard, l'Harvard PSE Accelerator Fund e la Gordon and Betty Moore Foundation. Una parte di questo lavoro è stata eseguita presso l'Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS), membro del National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), che è supportato dalla National Science Foundation sotto NSF, Award No. 1541959. Una parte di questo lavoro è stata eseguita presso lo Stanford Nano Shared Facilities (SNSF), sostenuto dalla National Science Foundation con il premio ECCS-2026822. Una parte di questo lavoro è stata eseguita presso lo Stanford ChEM-H Macromolecular Structure Knowledge Center.
Riconoscimenti: THS e SNS riconoscono il sostegno delle borse di studio post-dottorato Arnold O. Beckman. MS riconosce il sostegno finanziario attraverso una borsa di mobilità Doc. del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (progetto n. P1SKP2 187676). PN riconosce il supporto di una Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) come Gabilan Fellow. MH è stato parzialmente supportato dalla Defense Advanced Research Projects Agency sotto Grant No. HR00112220010. AOG riconosce il supporto di una National Science Foundation Graduate Research Fellowship nell'ambito della sovvenzione DGE-1656518 e di una Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) come Scott A. e 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
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