Summary
このプロトコルは、トリプレット融合アップコンバージョン促進体積3D印刷用の光重合性樹脂におけるその後の使用のためのアップコンバージョンナノカプセルの合成を詳述する。
Abstract
トリプレット核融合アップコンバージョン(UC)は、2つの低エネルギー入力光子から1つの高エネルギー光子の生成を可能にする。このよく研究されたプロセスは、材料の表面を超えて高エネルギー光を生成するための重要な意味を持ちます。ただし、材料の溶解性が悪く、濃度が高く、酸素感度が高いため、UC材料の展開は妨げられており、最終的には光出力が低下しています。この目的のために、ナノカプセル化はこれらの課題を回避するための一般的なモチーフでしたが、耐久性は有機溶媒ではとらえどころのないままです。最近、これらの課題のそれぞれに取り組むためにナノカプセル化技術が設計され、その結果、アップコンバージョン材料を含むオレイン酸ナノ液滴がシリカシェルでカプセル化されました。最終的に、これらのナノカプセル(NC)は、トリプレット融合アップコンバージョンを容易にする体積3次元(3D)印刷を可能にするのに十分な耐久性がありました。アップコンバージョン材料をシリカで封入し、3Dプリンティング樹脂に分散させることで、印刷バットの表面を超えたフォトパターニングを可能にしました。ここでは、アップコンバージョンNCを合成するためのビデオプロトコルを、小規模バッチと大規模バッチの両方について紹介します。概説されたプロトコルは、このカプセル化スキームを、体積3D印刷アプリケーションで使用するための複数のアップコンバージョンスキームに適合させるための出発点として機能します。
Introduction
サブトラクティブ製造プロセス(つまり、原材料のブロックを彫って作られた複雑な形状)から離れることで、廃棄物を削減し、生産率を向上させることができます。したがって、多くの業界では、オブジェクトが3次元(3D)印刷によってレイヤーごとに1を構築する積層造形プロセスに移行しています。多くの企業が、さまざまなクラスの材料(ガラス2、セラミック3,4、金属5、プラスチック6,7など)の積層造形プロセスの開発に取り組んでいます。
この層ごとの硬化は、樹脂の選択を制限し、プリントの機械的特性に影響を与えます6,7。プラスチックを製造するための光ベースの3D印刷を考慮すると、2光子吸収(2PA)ベースの印刷は、体積的に印刷することにより、層ごとのプロセスから離れます8。2PAプロセスでは、重合を開始するために2つの光子を同時に吸収する必要があります。これにより、必要な電源入力が増加するだけでなく、印刷システムの複雑さとコストが増大し、印刷サイズがmm3スケール以下の9に制限されます。
最近、トリプレットフュージョンアップコンバージョン(UC)を使用した新しい3D印刷方法により、cm3スケール10でのUCによる体積3D印刷が可能になりました。エキサイティングなことに、このプロセスは、2PAベースの印刷9、11、12と比較して比較的低い電力密度の照射10を必要とする。アップコンバージョンプロセスは、2つの低エネルギー光子を1つの高エネルギー光子13に変換し、アップコンバージョンされた光は光開始剤によって吸収されて重合を開始する。トリプレット融合UC材料の展開は、材料濃度の要件が高く、溶解性が悪く、酸素感受性が高いため、従来は困難でした13,14,15。さまざまなナノ粒子スキームを使用してUC材料をカプセル化することはよく研究されています16が、有機溶媒に必要な耐久性には達していません。ここで説明するシリカ被覆オレイン酸アップコンバージョンナノカプセル(UCNC)合成プロトコルは、3D印刷樹脂を含む多種多様な有機溶媒へのUC材料の分散に関するこの耐久性の課題を克服する10。ナノカプセル内部の材料から生成されたアップコンバートされた光は、複数の次元でパターン化されて、構造のない支持固体物体を生成し、50μm10の小さな解像度で高解像度の構造を印刷することができます。支持構造を除去し、無酸素環境で印刷することにより、新しい樹脂ケミストリーにアクセスして、従来の光造形法ではアクセスできなかった改善された材料特性と新しい材料特性の両方を達成できます。
ここでは、増感剤(パラジウム(II) メソテトラフェニルテトラベンゾポルフィン、PdTPTBP)と消滅剤(9,10-ビス((トリイソプロピルシリル)エチニル)アントラセン、TIPS-an)を2つの異なるスケールでカプセル化するためのUCNC合成プロトコルについて概説します。大規模な合成は、3D印刷樹脂に使用するための~10gのアップコンバージョンナノカプセルペーストを提供する材料を提供する。~1 gのアップコンバージョンナノカプセルペーストの小規模合成により、新しいナノカプセル内容物の最適化が可能になります。このプロトコルは、トリプレットフュージョンUCNCのさまざまな3D印刷ワークフローやその他のアプリケーションへの統合の成功をサポートします。
Protocol
1. 大規模アップコンバージョンナノカプセル合成
- 赤色照明下で不活性雰囲気のグローブボックス( 材料表を参照)で、室温(~22°C)で99%オレイン酸中の増感剤(PdTPTBP)および消滅剤(TIPS-アントラセン)( 材料表を参照)の飽和溶液を調製する。
- 2 mLのオレイン酸を20 mgのPdTPTBPに攪拌子付きのバイアルに加えます。次に、周囲光から保護するためにバイアルをホイルで覆います。2mLのオレイン酸を25mgのTIPS-アントラセンに攪拌子でバイアルに加える。
- 混合物を600rpmで少なくとも4時間攪拌してから、0.45μmのPTFEシリンジフィルターでろ過します。各溶液には、ろ過によって除去される未溶解の固体が目に見えてある必要があり、各溶液が飽和していることを示します。
- シリンジを用いて、濾過したTIPS-アントラセン溶液0.7 mL、濾過したPdTPTBP溶液0.35 mL、オレイン酸0.7 mLを混合し、アップコンバージョン材ストック溶液1.75 mLを調製した。
注:ナノカプセルに使用されるアップコンバージョン溶液は、体積でTIPS-アントラセン対PdTPTBP、オレイン酸の比率が2:1:2です。
- 4 gの10K MPEGシランを清潔な20 mLバイアルに計量し、合成中に使用できるようにします。これはグローブボックスの内側または外側で行うことができます。この材料をグローブボックスの外側で測定する場合は、グローブボックスに入れる前に、バイアルの蓋をシーリングフィルムまたは電気テープで固定してください。
- セプタムで密封した250 mLの三角フラスコで、200 mLの超高純度脱イオン水を氷浴中で少なくとも1時間冷やして~5°Cにします。通常、これには数時間かかります。
- 少なくとも6枚のシーリングフィルムを使用してセプタムをフラスコに固定します。これは、フラスコがグローブボックス前室で真空下にあるときにセプタムが固定されたままになるようにするためです。
- ナノカプセルを準備する直前に、冷水をグローブボックスに持ち込みます。前室圧力計の測定に基づいて20%の真空を引くことにより、水を持ち込むときに控え室の軽い真空を引くだけです。
- 水をグローブボックスに持ち込んだ後、すぐにグローブボックスのパージ機能をオンにして、カラムをバイパスします。これにより、軽い真空下で水を持ち込むときに導入される酸素が除去され、カラムの寿命が延びます。合成が完了し、すべての廃棄物がグローブボックスから取り除かれるまで、パージを続けます。
- (3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(APTES)やオルトケイ酸テトラエチルを分注するための注射器や針など、すべての化学薬品と消耗品がすぐに使用できる状態になっていることを確認してください。10K MPEGシランが手の届くところにあることを確認してください。クリーニングには、ナイロンクロスを用意しておくと便利です。
- ブレンダーを接続します( 材料表を参照)。電気ソケットをプラスチックのビンまたはナイロン布で覆います。このバリアにより、予期しないブレンダーの漏れが発生した場合の保護が可能になります。ブレンダーの電源がオフになっていることを確認してください。
- ブレンダーに水を慎重に注ぎます。1.45 mLのアップコンバージョン材料ストック溶液(ステップ1.1.3で調製)をシリンジで1回に分けてブレンダー内の水の中央に加えます。
- 蓋を取り付け、予期しない漏れが発生した場合に備えてナイロンワイプで覆います。小さな漏れを防ぐために、ブレンダーの蓋を持ちながら、最高速度(22,600 rpm)で正確に60秒間ブレンドします。
- ブレンダーの電源を切り、邪魔にならないように動かして、十分な作業スペースを確保します。
- エマルジョンを500 mLの丸底フラスコに移します。フラスコをクランプで攪拌プレートに固定します。エマルジョンを卵形の攪拌子で1200rpmで激しく混合します( 材料の表を参照)。
- シリンジを使用して、0.75 mLのAPTESをエマルジョンに加え、ミセルの透明な溶液を生成します。
- カプセルの凝集を防ぐために、10K MPEGシランを4 g添加します。必要に応じてフラスコを振って、フラスコが分散されていることを確認します。1200rpmで約10分間攪拌します。
- この間に、ブレンダーと蓋をナイロン布で乾かします。トングを使用して、鋭いブレンダーブレードから手を遠ざけます。
- 10分経過後、20mLシリンジを用いて15mLのオルトケイ酸テトラエチルを1部加える。20 mLシリンジを使用して、オルトケイ酸テトラエチルを15 mLずつ加え、合計30 mLにします。フラスコにセプタムを貼り付け、1200rpmで30分間攪拌します。
- フラスコと廃棄物をグローブボックスから取り出し、グローブボックスのパージをオフにします。
- フラスコを、オイルバスやアルミニウム加熱ブロックなどの発熱体を備えた攪拌プレートに貼り付けます。フラスコをシュレンクラインに接続し、反応が窒素やアルゴンなどの不活性ガス下で一定の圧力に保持されるようにします。
- 反応物を65°Cで1200rpmの速度で40時間攪拌し、加熱する。
- 40時間後、反応物をシュレンクラインから切り離し、4gの10K MPEGシランを添加します。反応をシュレンクラインに再接続します。反応物を65°C、1200rpmで8時間攪拌・加熱する。
- 8時間後、火を止め、1200rpmで攪拌しながら反応液を室温まで冷却します。
- 反応が冷えたら、反応を遠沈管に移します。
- 50 mLの遠沈管を保持する遠心分離機( 材料の表を参照)の場合は、10本の遠沈管間で反応を均等に分割します。
- 0.5 Lの遠沈管を保持する遠心分離機の場合、反応を2つの遠沈管に均等に分割します。
- 懸濁液を8670 x g で20〜22°Cの温度で1時間遠心分離します。 ペレットを廃棄し、ナノカプセルを含む上清を保持する。
- 上清を8670 x g で20〜22°Cで14〜16時間遠心分離します。
- 上清を捨て、アップコンバージョンナノカプセルを含むペレットを回収する。
- ピペットを使用して、ナノカプセルペレットの上面を超高純度脱イオン水(2 x 10 mL)で注意深くすすぎます。これは、ペレットが遠心管から外れないように、低流量で実施する必要があります。
- ナノカプセルペーストをスパチュラで2つまたは3つの別々の20 mLシンチレーションバイアルに移し、すぐにバイアルをグローブボックスに持ち込みます。約7〜10gのナノカプセルペーストを回収する必要があります。
注:さらなる使用のために、ナノカプセルは、合成から48時間以内に、3D印刷用のモノマーまたは脱酸素化された超高純度脱イオン水などの溶媒に分散することが推奨される。ナノカプセルペーストから水が蒸発し、48時間後にナノカプセルが使用できなくなります。
- 走査型電子顕微鏡(SEM)、動的光散乱(DLS)、およびアップコンバージョンフォトルミネッセンスを実行して、ナノカプセル調製の特性評価を行います。
2. 小規模アップコンバージョンナノカプセル合成
- ステップ1.1の説明に従って増感剤と消滅剤の原液を調製する。アップコンバージョンナノカプセルの製造に使用する溶液の量を、ステップ1.1で説明した1.75 mLではなく250 μLにスケールダウンします。100 μLのろ過されたTIPS-溶液を50 μLのろ過されたPdTPTBP溶液および100 μLのオレイン酸と混合します。
- シュレンクラインを使用して、40 mLシンチレーションバイアル( 材料表を参照)に20 mLの超高純度脱イオン水を窒素やアルゴンなどの不活性ガスで激しくスパージします。バイアルをグローブボックスに入れる前に、電気テープまたはシーリングフィルムで蓋を貼り付けてください。
注意: 一度に複数の小規模サンプルを作成する場合は、清潔で未使用のブレンダーピッチャーを使用して、セクション1で概説したように200mLの冷水をブレンドすることにより、大量の水を十分に脱気できます。シュレンクラインで不活性ガスで水を散布することは、20mLを超える容量では効果がありません。 - 400 mgの10K MPEGシランを測定して、合成中にクリーンな10 mLバイアルで使用できるようにします。これはグローブボックスの内側または外側で行うことができます。これがグローブボックスの外側で測定される場合は、グローブボックスに持ち込む前に、バイアルの蓋をシーリングフィルムまたは電気テープで固定してください。
- 散布した水をグローブボックスに持ち込み、すぐにグローブボックスのパージ機能をオンにしてカラムをバイパスします。これにより、軽い真空下で水を持ち込むときに導入された酸素が泡立てられ、カラムの寿命が延びます。合成が完了し、すべての廃棄物がグローブボックスから取り除かれるまで、パージはオンのままである必要があります。
- すべての化学薬品と消耗品(5 mLシリンジとチップ付きマイクロピペット)が使用できる状態になっていることを確認してください。
- シリンジを使用して、ボトルから1 mLの(3-アミノプロピル)トリエトキシシランを取り出し、後で使用するために清潔でラベル付けされた20 mLバイアルに分注します。
- シリンジを使用して、5 mLのオルトケイ酸テトラエチルを取り除き、後で使用するために清潔でラベル付けされた20 mLバイアルに分注します。
- 10K MPEGシランがグローブボックス内の手の届くところにあることを確認してください。
- クリーニングには、予備のナイロンクロスを用意しておくと便利です。
- ボルテックスミキサーを接続し( 材料表を参照)、速度を最高設定(3200 rpm)に設定します。
- マイクロピペットを使用して、145 μLの増感剤/消滅剤ストック溶液を水(20 mL)のバイアルに加えます。電気テープまたはシーリングフィルムで蓋を貼り付けます。
- 溶液をボルテックスミキサーの最高速度(3200 rpm)で7分間ボルテックスし、大規模合成と同様のナノ液滴形成を確実にします。バイアルをベースに近づけ、ボルテックス中はバイアルの蓋を握らないでください。
- バイアルを攪拌プレートに貼り付けます。八角形の攪拌子で1200rpmでエマルジョンを攪拌します( 材料の表を参照)。
- マイクロピペットを使用して、75 μLのAPTESを添加し、ミセルの透明な溶液を生成します。
- 透明な溶液を生成した後、すぐに400 mgの10K MPEGシランを追加します。蓋を取り付け、バイアルを振って反応を効率的に混合します。バイアルを攪拌プレートに戻す。
- シリンジを使用して、反応を1200rpmで攪拌しながら、オルトケイ酸テトラエチル3 mLを順番に添加します。蓋を取り付け、バイアルを振って反応を効率的に混合します。グローブボックスから取り出されるまで、1200rpmで反応を攪拌します。
- バイアルを電気テープまたはシーリングフィルムで密封し、グローブボックスからバイアルを取り出します。
- オイルバスまたはアルミニウム加熱ブロックを使用して溶液を65°Cで加熱します。反応液を1200rpmで40時間撹拌する。
- 40時間後、400 mgの10K MPEGシランを加えます。バイアルを電気テープまたはシーリングフィルムで再シールします。反応液を1200rpmで8時間撹拌する。
- 1200rpmで攪拌しながら反応液を室温まで冷却する。反応が冷えたら、反応混合物を1本の50 mL遠沈管に混ぜ合わせます。
- 懸濁液を8670 x g で20〜22°Cの温度で1時間遠心分離します。 ペレットを廃棄し、ナノカプセルを含む上清を保持する。
- 上清を8670 x g で20〜22°Cで14〜16時間遠心分離します。
- 上清を廃棄し、アップコンバージョンナノカプセルを含むペレットを保持する。ピペットを使用して、ナノカプセルペレットの上面を2 x 1 mLの超高純度脱イオン水で注意深くすすぎます。これは、ペレットが遠心管から外れないように、低流量で実施する必要があります。
- ナノカプセルペーストをスパチュラで20 mLシンチレーションバイアルに移し、バイアルをすぐにグローブボックスに持ち込みます。約700〜1000 mgのナノカプセルペーストを回収する必要があります。
注:さらに使用する場合は、ナノカプセルを3D印刷用のモノマーや脱酸素化された超高純度脱イオン水などの溶媒に48時間以内に分散させることをお勧めします。水はナノカプセルペーストから蒸発し、48時間後にナノカプセルを使用できなくなります。
Representative Results
図1 は、アップコンバージョンナノカプセル合成プロトコルの漫画の描写を示す。小規模および大規模のUCNC調製の類似点が強調されており、水中油のエマルジョンの生成やシリカシェルを合成するための化学物質の添加などです。小規模合成から、700〜1000 mgのUCNCペーストが典型的に収集され、7〜10 gのUCNCが大規模合成から典型的に収集されます。
ナノカプセルを、分光法および顕微鏡法の組み合わせを用いて特徴付けた10。SEM用のサンプルを調製するために、水に分散させた100mgmL-1ナノカプセルペーストの溶液からフィルムを適当な導電性SEM基板上にドロップキャストし、乾燥させた。ナノカプセルの導電率は本質的に低いが、別の導電性材料を添加しなくても特性評価には十分である。代表的なSEM画像(図2A)は、このプロトコルで得られた直径~50nmの比較的単分散のナノカプセルを示しています。SEMを使用してUCNCの形態を特徴付ける際の制限の1つは、超高真空下で長期間不安定であることです。SEM測定に必要な超高真空下では、UCNCは効率的に機能すれば、通常は30分以内に正常にイメージングでき、UCNCは超高真空下で約30分後に高真空下で融合します(図2B)。この融合は、このプロトコル(ビデオインフラ)で概説されている手順に従って、周囲条件下では観察されません。真空下での安定性を考慮しても、電子顕微鏡法はUCNCの典型的な形態を評価するための有益な方法です。
動的光散乱(DLS)は、溶液中の平均ナノカプセル流体力学的直径を特徴付けるための別の有用な技術である。DLS用のサンプルは、希釈されたUCNCのサンプルで簡単に調製できます。ここで、第1遠心分離機(ステップ1.23または2.17)後に回収された上清のサンプルは、DLSによって特徴付けられた。上清を超高純度の脱イオン水で10倍に希釈し、0.2μmのPVDFフィルターでろ過して大きな粒子やほこりを除去しました。あるいは、10倍に希釈し、0.2 μmのPVDFフィルターでろ過した超純イオン交換水中の100 mg mL-1の濃度でUCNCペーストの特性評価を行うこともできます。流体力学的直径は、バッチ間で<100nm、典型的には65〜90nm10の範囲となるようにDLSを用いて測定した。ナノ粒子凝集は、これらの特徴付け条件下では観察されず、追加の電解質10の必要性を排除する。同様のUCNC直径は、大規模または小規模のプロトコルから生成できます。1回のスキャンからの代表的なトレースを図2Cに示します。ブラウン運動とストークス・アインシュタイン方程式への数学的フィッティングプロセスにより、多くのスキャンが平均化されて平均流体力学的直径が決定されます17。図2Cに示すサンプルの平均流体力学的直径は、大きなバッチ(多分散度、PDI:0.21)では~75 nm、提示された小さなバッチでは~66 nm(PDI:0.15)です。流体力学的直径のこの変動は、反応スケールに関係なく、バッチごとに典型的です。
最後に、光学特性評価は、シリカシェルカプセル化の完全性を評価するために不可欠です(図2D)。ここで、第1遠心分離機後に回収した上清のサンプルをグローブボックス内の脱酸素アセトンで10倍に希釈した。サンプルをアセトンで希釈して、UCNCの構造的完全性をテストしました。 図2Dでは、635 nmレーザーを照射するとアントラセンのアップコンバージョン発光がはっきりと存在し、平均的なシリカ殻が無傷のままであることを示しています。シリカシェルが薄すぎると、635nmレーザーを照射しても明るいアップコンバージョンが非常に低くなります。これは、アップコンバージョン内容物がアセトンに溶解し、明るいアップコンバージョン発光を生成するには低すぎる濃度に希釈されているためです10。
図1:アップコンバージョンナノカプセル合成プロセスを大小を問わず漫画で描いたもの。 この図は Biorender.com で作成されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:顕微鏡および分光法を用いた代表的なナノカプセルの特性評価 。 (A)UCNCsのSEMは、アップコンバージョンナノカプセル合成の規模および均一性を示す。スケールバー= 200 nm。(B)超高真空下で~30分間融着したUCNCのSEM試料を、脱イオン超純水中のUCNCsのドロップキャスト溶液により調製した。スケールバー= 20μm。(C)小規模および大規模に調製されたアップコンバージョンナノカプセルの代表的なDLSトレース。UCNCsを脱イオン超純水で希釈した。(D)アセトンで希釈したUCNCにおけるTIPS-anのアップコンバージョン発光は、~65 W cm-2で635 nmレーザーを照射すると生成されました。この明るいアップコンバージョンは、シリカシェルがナノカプセルの内容物がこぼれるのを防ぐのに十分な厚さであることを意味します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
明るいアップコンバーティングナノカプセルを調製する際には、いくつかの考慮事項がある。第一に、アップコンバージョン材料は酸素から保護されなければならないので、合成はグローブボックス内で完了する-酸素の存在下でアップコンバージョンされた光出力が減少する13,14,15,16は十分に確立されている。さらに、増感剤と消滅剤のストック溶液は、バッチごとに新鮮に準備する必要があります。PdTPTBPおよび他の金属化ポルフィリンは、酸の存在下で周囲光中で脱金属することが示されており18、アントラセンは経時的に凝集することが知られている19。これらの影響は、合成ごとに赤色照明の下で新鮮な溶液を調製することによって最小限に抑えることができる。著者たちは、金属化ポルフィリンとアントラセンを混合すると、厳密な赤色照明は不要になり、このステップの後は周囲照明の使用が許容されると述べています。最後に、大規模な合成では、UCNCを作るためにこの溶液を1.45 mL未満添加すると、他のすべての必要な試薬の割合と濃度依存的なナノ液滴形成が変化するため、少なくとも1.75 mLのアップコンバーティングストック溶液を調製することをお勧めします。同様に、小規模合成の場合、250 μLのアップコンバートストック溶液を同じ割合で調製することをお勧めします。最後に、マイクロピペットを使用してオレイン酸ストック溶液を分注する場合は、プランジャーをゆっくりと放し、プランジャーが完全に上昇して目的の容量を分注するのを待ちます。オレイン酸は粘度が高いため、ピペットチップをゆっくりと満たし、予想よりも少ない溶液を誤って分注しやすくなります。
オレイン酸ナノ液滴の生成は、ブレンド時間、速度、および大幅な温度変化に敏感であることを理解することが重要です。例えば、ブレンダーの選択は重要であり、オレイン酸ナノ液滴の形成に影響を与える可能性があります。開発の初期段階で複数のブレンダーブランドがテストされました。 材料表 で推奨されているブレンダーは、このプロトコルに記載されている比較的優れた再現性のあるナノカプセルの生成につながりました。特に、強力なブレンドは、エマルションの温度を上昇させ、オレイン酸ナノ液滴形成効率を低下させる。ブレンダーブレードは、温度を最適に制御するために完全に水に沈める必要があり、これはここで提示された必要な水量を決定するための1つの考慮事項でした10。さらに、水を事前に冷却することで、エマルジョン中の液滴凝集が減少し、最終的には大規模合成のためのナノカプセル収率が向上します。一方、小規模合成の場合、おそらく40mLバイアルを保持してもブレンダーブレードほど水の温度が上昇しないため、水を冷却してもオレイン酸ナノ液滴の形成は大きく変化しません。
APTES添加は、APTESがブレンドまたはボルテックスによって生成されたオレイン酸ナノ液滴を安定化させるため、重要な合成ステップです。初期のナノ液滴エマルジョンは、濁った濁った分散液です。APTESを添加すると、ナノ液滴が安定化するにつれて溶液は透明かつ透明になる。平均して、必要なAPTESボリュームはプロトコルに示されている量に非常に近いですが、ソリューションを明確にするためにAPTESがわずかに少ないかわずかに多い必要がある場合があります。したがって、APTES添加は、他の滴定を実施するのと同様の方法で処理されるべきである20。APTESを過剰に添加すると(すなわち、「ちょうど透明な」溶液を超えて)、ナノカプセルシェルの形成が妨げられ、収率が低下します。そのために、透明な懸濁液を生成するために著しく異なる容量のAPTESが必要な場合、または透明な懸濁液に到達しない場合、これはオレイン酸ナノ液滴形成を最適化するためにトラブルシューティングが必要であることを示しています。例えば、ナノ液滴の生成が非効率的である場合、液滴体積、したがってナノ液滴の表面積は予想よりも大きくなり、より多くのAPTESを必要とする可能性がある。これは小規模合成で観察されており、バイアルをボルテックスミキサーに対して保持するために使用される力やボルテックス時間を長くするなど、さまざまな方法で改善できます。
さらに、10K MPEGシランは、集約を防ぐためにAPTESの直後に追加する必要があり、省略することはできません10。10K MPEGシランを添加しない場合、沈殿物生成の形で~30分以内に不可逆的な凝集が観察されます。5K MPEGシランは10K MPEGシランの代わりに使用できますが、低分子量のMPEGシランは一定濃度での凝集を十分に防止できません。
シリカシェルの形成は、さまざまな溶液に分散したときにUCNC耐久性を付与するための鍵です。シリカシェルの成長は一般的によく研究されていますが21、22、23、シリカの成長を促進するために頻繁に使用される21酸または塩基触媒は、加熱が耐久性のある架橋シリカシェルを生成するのに十分であるため、ここでは使用されません。シリカシェルの形成を経時的に監視するには、PdTPTBP / TIPS-anシステムの増感剤リン光を最小限に抑えて、アセトンなどの有機溶媒でナノカプセル反応アリコートを100倍希釈した後、明るいアップコンバージョンを観察する必要があります(図2Dおよび参考文献10)。通常、明るいアップコンバージョンは約24時間後に観測可能ですが、48時間後には相対放出が増加し、UCNCのより多くの集団が耐久性のある殻を持っていることを意味します。UC放射は照射電力に依存し、十分な電力密度を採用する必要があることに注意してください。たとえば、ここで説明するシステムでは、明るいアップコンバートされたPLを見るには、~65 W cm-2のオーダーの電力密度が必要です。
シリカ成長の40時間後に10K MPEGシランを2回添加すると、有機溶媒へのナノカプセル分散性が向上します。UCNCは、この2回目の10K MPEGシラン添加がなくても複数の溶媒に分散可能ですが、溶液中のUCNC負荷量を質量で増やすために、2回目の添加を強くお勧めします。例えば、3D印刷樹脂に使用するために、0.67g mL−1 のナノカプセルペーストをアクリル酸10に分散させた。
数日間の製造プロセス全体でUCNCを酸素にさらすと、アップコンバージョンフォトルミネッセンスを大幅に減少させる濃度の酸素が侵入します。周囲雰囲気中での48時間の攪拌中に不活性雰囲気が維持されるようにするために、反応スケールに応じて異なるプロトコルが呼び出されます。大規模では、シリカ成長中に生成されるエタノールは、固定された隔壁の除去または反応容器24の構造的完全性の喪失をもたらし得る著しい圧力を生じ得る。したがって、500 mLフラスコは、不活性雰囲気での圧力解放を可能にするためにシュレンクラインに接続する必要があります。小規模では、40 mLのガラスバイアルをシーリングフィルムまたは電気テープでシーリングすることで、シールの構造的完全性が維持されます。バイアルの蓋を密閉しないと、圧力の上昇により蓋の糸がゆっくりと外れ、酸素の侵入が可能になります。
遠心分離による反応精製は、UCNCを他の望ましくない副産物から分離します。複数の遠心分離機のブランドとローターは、プロトコルで提供される g 力にアクセスできる場合、この精製と互換性があります。 g 力は、遠心分離機のローターの寸法25に基づいて毎分回転に変換できます。遠心分離中にUCNCを周囲雰囲気に短時間さらすことは、精製後に不活性雰囲気で保存されている限り許容されます。この合成の1つの制限は、原子収率が投入化学物質に関連して定量化することが困難であることである。遠心分離後、この大規模なナノカプセル合成では約10gのペーストが得られ、小規模合成では約1.0gのカプセルペーストが得られます。UCNCシェルの製造にTEOSがどれだけ組み込まれているかは不明です。最初の遠心分離後に廃棄されるペレットは、UCNCに組み込まれていない大きな分子量シリカで構成されています。2回目の遠心分離の後、上清を再度遠心分離して、収集される質量を増やすことができます。ソフトカプセルペーストは固化して他の溶媒に分散できないコンパクトなフィルムになるため、遠心分離時間を16時間を超えて増やすことはお勧めしません。それでも、バッチごとに収集されたカプセルペーストの塊は一貫しており、その後の使用と特性評価には十分です。
UCNCの耐久性は、溶剤ごと、および保管条件によって異なります。遠心分離によって収集されたUCNCペーストは、水が蒸発するため48時間後に使用できなくなりますが、ナノカプセルはさまざまな溶媒で耐久性があります。水中では、UCNCの耐久性は数ヶ月程度です。アクリル酸では、主にアクリル酸溶媒が不安定であり、無酸素条件下で保存すると重合を受ける可能性があるため、耐久性は数日に低下します10,26。UCNCの耐久性に関する溶剤依存性のさらなる研究が進行中です。
小規模合成は、異なる製剤間のアップコンバージョンフォトルミネッセンスの相対比較に特に有用です。2回目の遠心分離後に回収したNCペーストを100〜200 mg mL-1 の濃度の水に分散させ、アセトン(または必要に応じて別の溶媒)で希釈する必要があります。NCを懸濁させ、沈殿物の形成を防ぐために、溶液体積の最低25%に水(25/75水/アセトンv/vなど)が含まれている必要があります。このプロトコルの増感剤と消滅剤の濃度を決定するには、バッチ間の相対的なアップコンバージョン放出を比較する必要がありました。おそらく直感に反して、3D印刷用のUCナノカプセルにおける光出力を最大にするために必要な増感剤と消滅剤の比率は、オレイン酸ストック溶液中のUC量子収率27 を最大化する比率と同等ではないかもしれない。
結論として、アップコンバージョンナノカプセルを合成するための詳細なプロトコルとベストプラクティスは、段階的な方法で拡張されます10。実際のアプリケーションで使用するためにアップコンバージョン材料をカプセル化する他の方法は水性環境とのみ互換性があるため16、この合成は、有機溶媒などの多様な化学環境にアップコンバージョン材料を展開することを可能にするため重要です。これらの方法は、精密積層造形や表面を超えた高エネルギー光を必要とするあらゆるアプリケーションで、体積3D印刷にアクセスするためのアプローチを増やすのに役立ちます。
Disclosures
ハーバード大学は、この研究に基づいていくつかの特許を申請しています。SNS、RCS、DNCは、Quadratic3D, Inc.の共同設立者です。
Acknowledgments
融資： この研究は、ハーバード大学ローランド研究所のローランドフェローシップ、ハーバードPSEアクセラレータ基金、ゴードンアンドベティムーア財団の支援を通じて資金提供されています。この研究の一部は、NSFの下で国立科学財団によってサポートされている全米ナノテクノロジー調整インフラストラクチャネットワーク(NNCI)のメンバーであるハーバードナノスケールシステムセンター(CNS)で実施されました1541959。この作業の一部は、国立科学財団の支援を受けて、スタンフォードナノ共有施設(SNSF)でECCS-2026822賞を受賞して行われました。この作業の一部は、スタンフォードChEM-H高分子構造ナレッジセンターで実施されました。
確認： THSとSNSは、アーノルドO.ベックマンポスドクフェローシップのサポートを認めています。MSは、スイス国立科学財団からのDoc.モビリティフェローシップを通じて財政的支援を認めています(プロジェクト番号。P1SKP2 187676)。PNは、Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering(SGF)のGabilan Fellowとしての支援を認めています。MHは、助成金番号の下で国防高等研究計画局によって部分的にサポートされていました。HR00112220010。AOGは、Grant DGE-1656518に基づく全米科学財団大学院研究フェローシップと、スコットA.およびジェラルディンD.マコンバーフェローとしてのスタンフォード科学工学大学院フェローシップ(SGF)の支援を認めています。
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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