Summary
Этот протокол детализирует синтез нанокапсул апконверсии для последующего использования в фотополимеризуемых смолах для объемной 3D-печати с помощью триплетного синтеза.
Abstract
Триплетная термоядерная апконверсия (UC) позволяет генерировать один высокоэнергетический фотон из двух входных фотонов с низкой энергией. Этот хорошо изученный процесс имеет значительные последствия для производства высокоэнергетического света за пределами поверхности материала. Тем не менее, развертывание материалов UC было остановлено из-за плохой растворимости материала, высоких требований к концентрации и чувствительности к кислороду, что в конечном итоге привело к снижению светоотдачи. С этой целью нанокапсуляция была популярным мотивом для обхода этих проблем, но долговечность оставалась неуловимой в органических растворителях. Недавно был разработан метод нанокапсуляции для решения каждой из этих проблем, после чего нанокаплет олеиновой кислоты, содержащий материалы для апконверсии, был инкапсулирован оболочкой кремнезема. В конечном счете, эти нанокапсулы (НК) были достаточно прочными, чтобы обеспечить возможность тройного синтеза с помощью объемной трехмерной (3D) печати. Инкапсулируя материалы с кремнеземом и диспергируя их в смоле для 3D-печати, фотоструктурирование за пределами поверхности печатного чана стало возможным. Здесь представлены видеопротоколы синтеза апконверсионных НК как для мелкомасштабных, так и для крупномасштабных пакетов. Описанные протоколы служат отправной точкой для адаптации этой схемы инкапсуляции к нескольким схемам апконверсии для использования в объемных приложениях 3D-печати.
Introduction
Отход от субтрактивных производственных процессов (т.е. сложных форм, изготовленных путем резьбы по блокам сырья) может уменьшить отходы и увеличить темпы производства. Соответственно, многие отрасли промышленности переходят к процессам аддитивного производства, где объекты строятся слой за слоем1 с помощью трехмерной (3D) печати. Многие работают над разработкой аддитивных производственных процессов для многочисленных классов материалов (например, стекло2, керамика 3,4, металлы5 и пластмассы 6,7).
Это послойное отверждение ограничивает выделение смолы и влияет на механические свойства печати 6,7. Рассматривая 3D-печать на основе света для изготовления пластмасс, печать на основе поглощения двух фотонов (2PA) отходит от послойных процессов путем объемной печати8. Процесс 2PA требует одновременного поглощения двух фотонов для инициирования полимеризации. Это не только увеличивает требуемую потребляемую мощность, но и увеличивает сложность и стоимость системы печати, ограничивая размеры печати до масштаба3 мм или меньше9.
Недавно новая методология 3D-печати с использованием триплетного слияния (UC) сделала объемную 3D-печать с UC возможной на шкале3 см10. Интересно, что этот процесс требует относительно низкой плотности мощности облучения10 по сравнению с печатью на основе 2PA 9,11,12. Процесс апконверсии преобразует два фотона с низкой энергией в один фотон высокой энергии13, и преобразованный свет поглощается фотоинициатором для инициирования полимеризации. Развертывание триплетных термоядерных материалов UC традиционно было сложной задачей из-за высоких требований к концентрации материала, плохой растворимости и чувствительности к кислороду 13,14,15. Инкапсуляция материалов UC с использованием различных схем наночастиц была хорошо изучена16, но не достигает долговечности, требуемой в органических растворителях. Описанный здесь синтетический протокол олеиновой кислоты с покрытием из диоксид кремния (UCNC) преодолевает эту проблему долговечности для диспергирования материалов UC в широком спектре органических растворителей, включая смолы для 3D-печати10. Импульсированный свет, генерируемый материалами внутри нанокапсул, имеет несколько размеров для создания твердых объектов без опорной структуры, что позволяет печатать структуры высокого разрешения с разрешением до 50 мкм10. Благодаря удалению опорных структур и печати в бескислородной среде новые химические вещества смолы доступны для достижения как улучшенных, так и новых свойств материала, недоступных при традиционной стереолитографии.
Здесь описан синтетический протокол UCNC для инкапсуляции сенсибилизатора (палладий (II) мезо-тетрафенилтетрабензопорфин, PdTPTBP) и аннигилятора (9,10-бис((триизопропилсилил)этинил)антрацен, TIPS-an) в двух разных масштабах. Синтез в больших масштабах обеспечивает материал для обеспечения ~ 10 г нанокапсульной пасты для использования в смолах для 3D-печати. Синтез в небольших масштабах для ~ 1 г нанокапсульной пасты с апконверсией позволяет оптимизировать новое содержимое нанокапсул. Этот протокол будет поддерживать успешную интеграцию триплетных слияний UCNC в различные рабочие процессы 3D-печати и другие приложения.
Protocol
1. Крупномасштабный синтез нанокапсул восходящей конверсии
- В перчаточном ящике (см. Таблицу материалов) с инертной атмосферой при красном освещении готовят насыщенные растворы сенсибилизатора (PdTPTBP) и аннигилятора (TIPS-антрацен) (см. Таблицу материалов) в 99% олеиновой кислоте при комнатной температуре (~22 °C).
- Добавьте 2 мл олеиновой кислоты к 20 мг PdTPTBP во флаконе с перемешиванием. Затем накройте флакон фольгой для защиты от окружающего света. Добавьте 2 мл олеиновой кислоты к 25 мг TIPS-антрацена во флакон с перемешиванием.
- Перемешивайте смеси со скоростью 600 об/мин в течение не менее 4 ч перед фильтрацией шприцевым фильтром из PTFE 0,45 мкм. Каждый раствор должен иметь нерастворенное твердое вещество, подлежащее удалению фильтрацией, что означает, что каждый раствор насыщен.
- Используя шприц, приготовьте 1,75 мл раствора исходного материала путем смешивания 0,7 мл фильтрованного раствора TIPS-антрацена, 0,35 мл фильтрованного раствора PdTPTBP и 0,7 мл олеиновой кислоты.
ПРИМЕЧАНИЕ: Раствор для апконверсии, используемый для нанокапсул, имеет отношение 2:1:2 TIPS-антрацена к PdTPTBP к олеиновой кислоте по объему.
- Отмерьте 4 г 10K MPEG-силана в чистом флаконе объемом 20 мл, чтобы он был готов к использованию во время синтеза. Это может быть проведено внутри или снаружи перчаточного ящика. Если этот материал измеряется за пределами перчаточного ящика, закрепите крышку флакона уплотнительной пленкой или электрической лентой, прежде чем приносить его в перчаточный ящик.
- В колбе Эрленмейера объемом 250 мл, запечатанной перегородкой, охладите 200 мл сверхчистой деионизированной воды в ледяной ванне в течение не менее 1 ч до достижения ~ 5 °C. Как правило, это занимает несколько часов.
- Прикрепите перегородку к колбе, используя не менее шести кусков герметизирующей пленки. Это делается для того, чтобы перегородка оставалась прикрепленной, когда колба находится под вакуумом в прихожей перчаточного ящика.
- Принесите охлажденную воду в перчаточный ящик непосредственно перед приготовлением нанокапсул. Только вытягивайте легкий вакуум на прихожую при подаче воды, вытягивая 20% вакуума на основе измерения на манометре прихожей.
- После подачи воды в перчаточный ящик немедленно включите функцию продувки перчаточного ящика, чтобы обойти колонну. Это удаляет кислород, введенный при подаче воды под легкий вакуум и продлевает срок службы колонны. Держите очистку включенной до тех пор, пока синтез не будет завершен, и все отходы не будут удалены из перчаточного ящика.
- Убедитесь, что все химические вещества и расходные материалы готовы к использованию, включая шприцы и иглы для дозирования (3-аминопропил),триэтоксисилана (APTES) и тетраэтилортосиликата. Убедитесь, что 10K MPEG-силан находится в пределах досягаемости. Для чистки нейлоновые салфетки также полезно иметь в наличии.
- Подключите блендер (см. Таблицу материалов). Накройте электрические розетки пластиковой корзиной или нейлоновой тканью. Этот барьер обеспечивает защиту в случае неожиданной утечки блендера. Убедитесь, что блендер выключен.
- Осторожно налейте воду в блендер. Добавить 1,45 мл раствора исходного материала (приготовленного на этапе 1.1.3) в одной порции шприцем в центр воды в блендере.
- Прикрепите крышку и накройте ее нейлоновой салфеткой в случае неожиданной утечки. Смешайте на максимальной скорости (22 600 об/мин) в течение ровно 60 с, удерживая крышку блендера, чтобы предотвратить небольшие утечки.
- Выключите блендер и уберите его с дороги, чтобы обеспечить достаточное рабочее пространство.
- Переложите эмульсию в колбу с круглым дном объемом 500 мл. Закрепите колбу на перемешиваемой пластине с помощью зажима. Энергично перемешайте эмульсию при 1200 об/мин с яйцевидным перемешивателем (см. Таблицу материалов).
- Используя шприц, добавьте 0,75 мл APTES к эмульсии для получения прозрачного раствора мицелл.
- Добавьте 4 г 10K MPEG-силана для предотвращения агрегации капсул. Встряхните колбу, если это необходимо, чтобы убедиться, что она диспергирована. Перемешивайте при 1200 об/мин в течение примерно 10 мин.
- За это время высушите блендер и крышку нейлоновой тканью. Используйте щипцы, чтобы держать руки подальше от острых лезвий блендера.
- По прошествии 10 мин добавьте 15 мл тетраэтилортосиликата в одну порцию, используя шприц объемом 20 мл. Добавьте еще 15 мл тетраэтилортосиликата в одной порции, используя шприц объемом 20 мл, в общей сложности 30 мл. Прикрепите перегородку к колбе и перемешивайте при 1200 об/мин в течение 30 мин.
- Извлеките колбу и отходы из перчаточного ящика и выключите продувку перчаточного ящика.
- Прикрепите колбу к перемешиваемой пластине с нагревательным элементом, таким как масляная ванна или алюминиевый нагревательный блок. Подключите колбу к линии Шленка, чтобы реакция проходила при постоянном давлении под инертным газом, таким как азот или аргон.
- Перемешайте и нагрейте реакцию при 65 °C со скоростью 1200 об/мин в течение 40 ч.
- Через 40 ч отсоедините реакцию от линии Шленка, чтобы добавить 4 г 10K MPEG-силана. Восстановите связь реакции с линией Шленка. Перемешайте и нагрейте реакцию при 65 °C при 1200 об/мин в течение 8 ч.
- Через 8 ч выключите огонь и дайте реакции остыть до комнатной температуры, перемешивая при 1200 об/мин.
- Когда реакция остынет, перенесите реакцию в центрифужные трубки.
- Для центрифуги (см. Таблицу материалов), которая вмещает трубки центрифуги объемом 50 мл, разделите реакцию поровну между 10 центрифужными трубками.
- Для центрифуги, которая содержит 0,5 л центрифужных трубок, разделите реакцию поровну между двумя центрифужными трубками.
- Центрифугируют суспензию при 8670 х г в течение 1 ч при температуре 20-22 °С. Выбросьте гранулу и сохраните супернатант, содержащий нанокапсулы.
- Центрифугировать супернатант при 8670 х г в течение 14-16 ч при 20-22 °С.
- Выбросьте супернатант и соберите гранулы, содержащие нанокапсулы апконверсии.
- С помощью пипетки тщательно промойте верхнюю поверхность нанокапсульной гранулы сверхчистой деионизированной водой (2 х 10 мл). Это должно проводиться при низком потоке, чтобы гранула не выбивалась из трубки центрифуги.
- Переложите нанокапсульную пасту в два или три отдельных сцинтилляционных флакона по 20 мл шпателем и сразу же занесите флаконы в перчаточный ящик. Примерно 7-10 г нанокапсульной пасты следует восстановить.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для дальнейшего использования рекомендуется, чтобы нанокапсулы диспергировали в растворитель, такой как мономер для 3D-печати или дезоксигенированная сверхчистая деионизированная вода в течение 48 ч после синтеза. Вода испарится из нанокапсульной пасты и оставит нанокапсулы непригодными для использования через 48 ч.
- Выполните сканирующую электронную микроскопию (SEM), динамическое рассеяние света (DLS) и фотолюминесценцию с восходящей конверсией для характеристики получения нанокапсулы.
2. Мелкомасштабный синтез нанокапсул повышающейся конверсии
- Подготовьте исходные растворы сенсибилизатора и аннигилятора, как описано в шаге 1.1. Уменьшите объем раствора, используемого для создания нанокапсул апконверсии, до 250 мкл вместо 1,75 мл, описанного на этапе 1.1. Смешайте 100 мкл фильтрованного раствора TIPS-раствора с 50 мкл фильтрованного раствора PdTPTBP и 100 мкл олеиновой кислоты.
- Энергично разрежьте 20 мл сверхчистой деионизированной воды в сцинтилляционный флакон объемом 40 мл (см. Таблицу материалов) с инертным газом, таким как азот или аргон, используя линию Шленка в течение не менее 10 минут. Прикрепите крышку электрической лентой или уплотнительной пленкой перед тем, как положить флакон в перчаточный ящик.
ПРИМЕЧАНИЕ: При одновременном изготовлении нескольких мелкомасштабных проб большие объемы воды могут быть достаточно дегазированы путем смешивания 200 мл охлажденной воды, как описано в разделе 1, с использованием чистого, неиспользованного кувшина блендера. Разбрызгивание воды инертным газом на линии Шленка неэффективно при объемах более 20 мл. - Измерьте 400 мг 10K MPEG-силана, чтобы он был готов к использованию во время синтеза в чистый флакон объемом 10 мл. Это может быть проведено внутри или снаружи перчаточного ящика. Если это измеряется за пределами перчаточного ящика, закрепите крышку флакона уплотнительной пленкой или электрической лентой, прежде чем приносить его в перчаточный ящик.
- Принесите разбрызганную воду в перчаточный ящик и немедленно включите функцию очистки перчаточного ящика, чтобы обойти колонну. Это удаляет кислород, введенный при подаче воды под легким вакуумом, и продлевает срок службы колонны. Продувка должна оставаться включенной до тех пор, пока синтез не будет завершен, и все отходы не будут удалены из перчаточного ящика.
- Убедитесь, что все химикаты и расходные материалы (шприцы 5 мл и микропипетка с наконечниками) готовы к использованию.
- Используя шприц, извлеките 1 мл (3-аминопропил)триэтоксисилана из флакона и раздайте его в чистый флакон с маркировкой 20 мл для последующего использования.
- Используя шприц, удалите 5 мл тетраэтилортосиликата и поместите его в чистый, маркированный флакон объемом 20 мл для последующего использования.
- Убедитесь, что 10K MPEG-silane находится в пределах досягаемости в перчаточном ящике.
- Для чистки также полезно иметь в наличии дополнительные нейлоновые салфетки.
- Подключите вихревой смеситель (см. Таблицу материалов) и установите максимальную скорость (3200 об/мин).
- Используя микропипетку, добавьте 145 мкл раствора сенсибилизатора/аннигилятора во флакон с водой (20 мл). Прикрепите крышку электрической лентой или уплотнительной пленкой.
- Вихрь раствора на наибольшей скорости вихревого смесителя (3200 об/мин) в течение 7 мин для обеспечения образования нанокаплей, аналогичного крупномасштабному синтезу. Держите флакон близко к основанию и никогда не держитесь за крышку флакона во время вихря, так как крышка может стать рыхлой и отсоединиться от флакона.
- Прикрепите флакон к тарелке для перемешивания. Перемешайте эмульсию со скоростью 1200 об/мин с восьмиугольным перемешивателем (см. Таблицу материалов).
- Используя микропипетку, добавьте 75 мкл APTES для получения прозрачного раствора мицелл.
- После получения прозрачного раствора сразу же добавляют 400 мг 10K MPEG-силана. Прикрепите крышку и встряхните флакон, чтобы эффективно перемешать реакцию. Верните флакон в перемешиваемую тарелку.
- Используя шприц, добавьте 3 мл тетраэтилортосиликата последовательно, пока реакция перемешивается при 1200 об/мин. Прикрепите крышку и встряхните флакон, чтобы эффективно перемешать реакцию. Перемешивайте реакцию со скоростью 1200 об/мин, пока она не будет извлечена из перчаточного ящика.
- Запечатайте флакон электрической лентой или уплотнительной пленкой и извлеките флакон из перчаточного ящика.
- Нагрейте раствор при 65 °C с помощью масляной ванны или алюминиевого нагревательного блока. Перемешайте реакцию со скоростью 1200 об/мин в течение 40 ч.
- Через 40 ч добавить 400 мг 10K MPEG-силана. Повторно запечатайте флакон электрической лентой или герметизирующей пленкой. Перемешивайте реакцию со скоростью 1200 об/мин в течение 8 ч.
- Дайте реакции остыть до комнатной температуры, перемешивая при 1200 об/мин. Когда реакция остынет, объедините реакционные смеси в одну трубку центрифуги объемом 50 мл.
- Центрифугируют суспензию при 8670 х г в течение 1 ч при температуре 20-22 °С. Выбросьте гранулу и сохраните супернатант, содержащий нанокапсулы.
- Центрифугировать супернатант при 8670 х г в течение 14-16 ч при 20-22 °С.
- Выбросьте супернатант и сохраните гранулы, содержащие нанокапсулы апконверсии. Используя пипетку, тщательно промойте верхнюю поверхность нанокапсульной гранулы 2 х 1 мл сверхчистой деионизированной воды. Это должно проводиться при низком потоке, чтобы гранула не выбивалась из трубки центрифуги.
- Переложите нанокапсульную пасту в сцинтилляционный флакон объемом 20 мл шпателем и немедленно перенесите флаконы в перчаточный ящик. Приблизительно 700-1000 мг нанокапсульной пасты должно быть извлечено.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для дальнейшего использования рекомендуется, чтобы нанокапсулы диспергировали в растворитель, такой как мономер для 3D-печати или дезоксигенированная сверхчистая деионизированная вода, в течение 48 ч. Вода испарится из нанокапсульной пасты и оставит нанокапсулы непригодными для использования через 48 ч.
Representative Results
На рисунке 1 показано карикатурное изображение протокола синтеза нанокапсул upconversion. Подчеркиваются параллели между мелкомасштабной и крупномасштабной подготовкой UCNC, такие как образование масла в водной эмульсии и добавление химических веществ для синтеза кремнеземной оболочки. Из мелкомасштабного синтеза обычно собирают 700-1000 мг пасты UCNC, в то время как 7-10 г UCNC обычно собирают из крупномасштабного синтеза.
Нанокапсулы были охарактеризованы с использованием комбинации спектроскопических и микроскопических методов10. Для подготовки образцов для SEM пленку бросали из раствора 100 мг нанокапсульной пасты mL-1 , диспергированной в воде на соответствующую проводящую SEM-подложку и давая высохнуть. Проводимость нанокапсул по своей природе низкая, но все же достаточная для характеристики без добавления другого проводящего материала. Репрезентативное изображение SEM (рисунок 2A) показывает относительно монодисперсные нанокапсулы диаметром ~50 нм, полученные с помощью этого протокола. Одним из ограничений использования SEM для характеристики морфологии UCNC является то, что они нестабильны при сверхвысоком вакууме в течение длительных периодов времени. При сверхвысоком вакууме, необходимом для измерений SEM, UCNC могут быть успешно визуализированы при эффективной работе, обычно в течение 30 мин. UCNC сливаются под высоким вакуумом примерно через 30 мин при сверхвысоком вакууме (рисунок 2B). Этот синтез не наблюдается в условиях окружающей среды в соответствии с процедурой, изложенной в настоящем протоколе (vide infra). Даже в свете соображений стабильности в вакууме электронная микроскопия по-прежнему является полезным методом оценки типичной морфологии UCNC.
Динамическое рассеяние света (DLS) является еще одним полезным методом для характеристики среднего гидродинамического диаметра нанокапсулы в растворе. Образцы для DLS могут быть легко приготовлены с образцом разбавленных UCNC. Здесь образец супернатанта, восстановленного после первой центрифуги (стадия 1.23 или 2.17), характеризовался DLS. Супернатант разбавляли в 10 раз сверхчистой деионизированной водой и фильтровали ПВДФ-фильтром 0,2 мкм для удаления крупных частиц и пыли. Альтернативно, можно охарактеризовать пасту UCNC в концентрации 100 мг мл-1 в сверхчистой деионизированной воде, разбавленной в 10 раз и отфильтрованной 0,2 мкм PVDF-фильтром. Гидродинамический диаметр измеряли с использованием DLS в <100 нм от партии к партии, обычно в диапазоне 65-90 нм10. Агрегация наночастиц не наблюдается в этих условиях характеризации, устраняя необходимость в дополнительном электролите10. Аналогичные диаметры UCNC могут быть сгенерированы из крупномасштабных или мелкомасштабных протоколов; Репрезентативные следы от одного сканирования представлены на рисунке 2C. Из-за броуновского движения и математического процесса подгонки к уравнению Стокса-Эйнштейна многие сканирования усредняются вместе, чтобы определить средние гидродинамические диаметры17. Средние гидродинамические диаметры для образцов, показанных на рисунке 2C, составляют ~75 нм для большой партии (полидисперсность, PDI: 0,21) и ~66 нм (PDI: 0,15) для представленной малой партии. Это изменение гидродинамического диаметра характерно для партии к партии, независимо от масштаба реакции.
Наконец, оптическая характеристика имеет жизненно важное значение для оценки целостности инкапсуляции оболочки кремнезема (рисунок 2D). Здесь образец супернатанта, восстановленный после того, как первая центрифуга была разбавлена 10x в дезоксигенированном ацетоне в перчаточном ящике. Образец разбавляли ацетоном для проверки структурной целостности UCNC. На рисунке 2D излучение антрацена явно присутствует при облучении лазером 635 нм, что означает, что средняя оболочка кремнезема остается неповрежденной. Если оболочки кремнезема слишком тонкие, яркая апконверсия чрезвычайно низка при облучении лазером 635 нм. Это связано с тем, что содержимое апконверсии растворяется и разбавляется в ацетоне до концентрации, слишком низкой для получения яркого повышенного излучения10.
Рисунок 1: Мультяшное изображение синтетического процесса нанокапсулы в малом и большом масштабе. Эта фигура была создана с Biorender.com. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Репрезентативная характеристика нанокапсул с использованием микроскопии и спектроскопии. (A) SEM UCNC показывает масштаб и однородность синтеза нанокапсул upconversion. Шкала = 200 нм. (B) SEM UCNC, которые плавились под сверхвысоким вакуумом в течение ~30 мин. Образцы SEM были получены капельным литьем растворов UCNC в деионизированной сверхчистой воде. Шкала бар = 20 мкм. (C) Репрезентативные следы DLS нанокапсул с восходящей конверсией, подготовленные в малых и больших масштабах. UCNC разбавляли в деионизированной сверхчистой воде. (D) Восходящее излучение TIPS-an в UCNC, разбавленное в ацетоне, было получено при облучении лазером 635 нм при ~65 Вт см-2. Эта яркая восходящая конверсия означает, что оболочки кремнезема достаточно толстые, чтобы предотвратить выплескивание содержимого нанокапсул. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Discussion
Есть несколько соображений при подготовке ярких апконвертирующих нанокапсул. Во-первых, синтез завершается в перчаточном ящике, потому что материалы для апконверсии должны быть защищены от кислорода - хорошо известно, что восходящая светоотдача снижается в присутствии кислорода 13,14,15,16. Кроме того, растворы сенсибилизатора и аннигилятора должны быть приготовлены свежими для каждой партии. Было показано, что PdTPTBP и другие металлизированные порфирины деметалируют в окружающем освещении в присутствии кислоты18, а антрацены, как известно, агрегируются с течением времени19. Эти эффекты могут быть сведены к минимуму путем приготовления свежих растворов под красным освещением для каждого синтеза. Авторы отмечают, что строгое красное освещение больше не требуется после смешивания металлированного порфирина и антрацена, и окружающее освещение приемлемо для использования после этого этапа. Наконец, для крупномасштабного синтеза рекомендуется приготовить по меньшей мере 1,75 мл раствора для переработки исходного вещества, поскольку добавление менее 1,45 мл этого раствора для получения UCNC изменит пропорции всех других требуемых реагентов, а также концентрационно-зависимое образование нанокаплетов. Аналогичным образом, для мелкомасштабного синтеза рекомендуется, чтобы 250 мкл раствора восходящего сырья готовили в тех же пропорциях. Наконец, при использовании микропипетки для дозирования растворов олеиновой кислоты медленно отпустите поршень и подождите, пока он полностью поднимется, чтобы дозировать нужный объем. Олеиновая кислота будет медленно заполнять кончик пипетки из-за ее высокой вязкости, и легко непреднамеренно дозировать меньше раствора, чем ожидалось.
Важно понимать, что генерация нанокаплетов олеиновой кислоты чувствительна к времени смешивания, скорости и значительным изменениям температуры. Например, выбор блендера является значительным и может повлиять на образование нанокаплей олеиновой кислоты. Несколько марок блендеров были протестированы на начальных этапах разработки. Блендер, рекомендованный в Таблице материалов, привел к генерации относительно превосходных и воспроизводимых нанокапсул, описанных в этом протоколе. Примечательно, что мощное смешивание повышает температуру эмульсии и снижает эффективность образования нанокаплетов олеиновой кислоты. Лопасти блендера должны быть полностью погружены в воду, чтобы наилучшим образом контролировать температуру, что было одним из соображений для определения требуемого объема воды, представленного здесь10. Кроме того, предварительное охлаждение воды уменьшает агрегацию капель в эмульсии, что в конечном итоге улучшает выход нанокапсулы для крупномасштабного синтеза. С другой стороны, для мелкомасштабного синтеза охлаждение воды существенно не изменяет образование олеиновых нанокаплей, вероятно, потому, что удержание флакона объемом 40 мл не повышает температуру воды так сильно, как лопасти блендера.
Добавление APTES является значительным синтетическим этапом, поскольку APTES стабилизирует нанокапли олеиновой кислоты, образующиеся при смешивании или вихре. Начальная нанокаплевая эмульсия представляет собой мутную, мутную дисперсию. При добавлении APTES раствор становится прозрачным и прозрачным по мере стабилизации нанокапель. В среднем, требуемые объемы APTES очень близки к тому, что представлено в протоколе, но иногда требуется немного меньше или немного больше APTES, чтобы решение стало понятным. Таким образом, добавление APTES следует рассматривать аналогично проведению других титрований20. Добавление слишком большого количества APTES (то есть за пределами «просто чистого» решения) нарушит формирование оболочки нанокапсулы и уменьшит выход. С этой целью, если для получения прозрачной суспензии требуются значительно отличающиеся объемы APTES или прозрачная суспензия никогда не достигается, это указывает на то, что для оптимизации образования нанокаплетов олеиновой кислоты требуется устранение неполадок. Например, если генерация нанокаплетов неэффективна, объем капель и, следовательно, площадь поверхности нанокаплета будут больше, чем ожидалось, и могут потребовать больше APTES. Это наблюдалось в мелкомасштабном синтезе и может быть исправлено различными способами, такими как сила, используемая для удержания флакона против вихревого смесителя или путем увеличения времени вихря.
Кроме того, 10K MPEG-силан должен быть добавлен сразу после APTES, чтобы предотвратить агрегацию и не может быть опущен10. Без добавления 10K MPEG-силана необратимая агрегация наблюдается в течение ~30 мин в виде образования осадков. Хотя 5K MPEG-силан может быть заменен 10K MPEG-силаном, более низкомолекулярные MPEG-силаны недостаточно предотвращают агрегацию при постоянной концентрации.
Образование кремнеземной оболочки является ключом к приданию долговечности UCNC при диспергировании в различных растворах. В то время как рост оболочки кремнезема, как правило, хорошо изучен 21,22,23, часто используемый21 кислотный или щелочной катализ для стимулирования роста кремнезема здесь не используется, так как нагревание достаточно для создания прочной, сшитой кремнеземной оболочки. Для контроля образования оболочки кремнезема с течением времени следует наблюдать яркую апконверсию после 100-кратного разбавления аликвоты реакции нанокапсулы в органическом растворителе, таком как ацетон, с минимальной фосфоресценцией сенсибилизатора для системы PdTPTBP/TIPS-an (рисунок 2D и ссылка10). Как правило, яркая восходящая конверсия наблюдается примерно через 24 ч, но 48 ч увеличит относительную эмиссию, что означает, что большая популяция UCNC обладает прочной оболочкой. Обратите внимание, что излучение UC зависит от мощности облучения, и следует использовать достаточную плотность мощности. Например, в описанной здесь системе требуется плотность мощности порядка ~65 Вт см-2, чтобы увидеть яркий преобразованный PL.
Второе добавление 10K MPEG-силана после 40 ч роста кремнезема улучшает диспергируемость нанокапсул в органических растворителях. В то время как UCNC по-прежнему будут диспергироваться в нескольких растворителях без этого второго добавления 10K MPEG-силана, второе добавление настоятельно рекомендуется для увеличения нагрузок UCNC по массе в растворе. Например, для использования в смоле 3D-печати 0,67 г мл-1 нанокапсульной пасты диспергировали в акриловой кислоте10.
Воздействие кислорода на UCNC в течение всего многодневного процесса изготовления приводит к попаданию кислорода в концентрациях, которые значительно снижают фотолюминесценцию вверх. Для обеспечения поддержания инертной атмосферы в течение 48 ч перемешивания в окружающей атмосфере используются различные протоколы в зависимости от масштаба реакции. В больших масштабах этанол, образующийся во время роста кремнезема, может создавать значительные давления, которые могут привести к удалению прикрепленной перегородки или потере структурной целостности реакционного сосуда24. Таким образом, колба объемом 500 мл должна быть соединена с линией Шленка, чтобы обеспечить сброс давления в инертной атмосфере. При небольших масштабах герметизация стеклянного флакона объемом 40 мл уплотнительной пленкой или электрической лентой поддерживает структурную целостность уплотнения. Без герметизации крышки флакона увеличение давления будет медленно разрушать крышку и допускать попадание кислорода.
Реакционная очистка центрифугированием отделяет UCNC от других нежелательных побочных продуктов. Несколько марок центрифуг и роторов совместимы с этой очисткой, если доступна сила g , предусмотренная протоколом. Усилие g может быть преобразовано во вращения в минуту на основе размеров ротора центрифуги25. Кратковременное воздействие UCNC на окружающую атмосферу во время центрифугирования допустимо, если они хранятся в инертной атмосфере после очистки. Одним из ограничений этого синтеза является то, что выход атомов трудно количественно оценить по отношению к входным химическим веществам. После центрифугирования этот крупномасштабный синтез нанокапсул должен давать примерно 10 г пасты, а мелкомасштабный синтез должен давать примерно 1,0 г капсульной пасты. Неясно, какая часть TEOS включена в создание оболочки UCNC. Гранула, выброшенная после первого центрифугирования, состоит из крупномолекулярного кремнезема, который не включен в UCNC. После второго центрифугирования супернатант можно снова центрифугировать, чтобы увеличить собранную массу. Не рекомендуется увеличивать время центрифугирования более чем на 16 ч, так как мягкая капсульная паста затвердеет в компактную пленку, которая не может быть диспергирована в других растворителях. Тем не менее, массы капсульной пасты, собранные от партии к партии, являются последовательными и достаточными для последующего использования и характеристики.
Долговечность UCNC может варьироваться от растворителя к растворителю, а также в зависимости от условий хранения. В то время как паста UCNC, собранная центрифугированием, непригодна для использования через 48 ч, когда вода испаряется, нанокапсулы долговечны в различных растворителях. В воде долговечность UCNC составляет порядка нескольких месяцев. В акриловой кислоте долговечность снижается до суток в основном потому, что растворитель акриловой кислоты нестабилен и может подвергаться полимеризации при хранении в бескислородных условиях10,26. Продолжаются дальнейшие исследования долговечности UCNC, зависящие от растворителей.
Мелкомасштабный синтез особенно полезен для относительных сравнений фотолюминесценции апконверсии между различными составами. Пасту NC, собранную после второго центрифугирования, следует диспергировать в воде в концентрации 100-200 мг мл-1 и разбавить в ацетоне (или другом растворителе по желанию). Минимум 25% объема раствора должно содержать воду (например, 25/75 воды/ацетона v/v), чтобы НК оставались взвешенными и предотвращали образование осадков. Для определения концентраций сенсибилизатора и аннигилятора в этом протоколе требовалось сопоставить относительное излучение повышающегося уровня среди партий. Возможно, нелогично, что отношение сенсибилизатора к аннигилятору, необходимое для максимизации светоотдачи в нанокапсулах UC для 3D-печати, может быть не эквивалентно соотношению, которое максимизирует квантовый выход UC27 в растворах олеиновой кислоты.
В заключение, подробный протокол и лучшие практики синтеза нанокапсул апконверсии подробно рассматриваются шаг за шагом10. Поскольку другие способы инкапсуляции материалов с восходящей конверсией для использования в реальных приложениях совместимы только с водными средами16, этот синтез имеет важное значение, поскольку он позволяет развертывать материалы с восходящей конверсией в различных химических средах, таких как органические растворители. Эти методы послужат для расширения подходов к доступу к объемной 3D-печати для точного аддитивного производства и в любом применении, требующем высокоэнергетического света за пределами поверхности.
Disclosures
Гарвардский университет подал несколько патентов на основе этой работы. SNS, RCS и DNC являются соучредителями Quadratic3D, Inc.
Acknowledgments
Финансирование: Это исследование финансируется при поддержке стипендии Роуленда в Институте Роуленда в Гарвардском университете, Гарвардского фонда акселератора PSE и Фонда Гордона и Бетти Мур. Часть этой работы была выполнена в Гарвардском центре наноразмерных систем (CNS), члене Национальной сети скоординированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI), которая поддерживается Национальным научным фондом в рамках NSF, award No 1541959. Часть этой работы была выполнена в Стэнфордском нано-общих объектах (SNSF) при поддержке Национального научного фонда в рамках премии ECCS-2026822. Часть этой работы была выполнена в Стэнфордском центре знаний о макромолекулярных структурах ChEM-H.
Благодарности: THS и SNS признают поддержку постдокторских стипендий Арнольда О. Бекмана. MS признает финансовую поддержку через стипендию Doc. Mobility Fellowship от Швейцарского национального научного фонда (проект No. П1СКП2 187676). PN признает поддержку Стэнфордской аспирантуры в области науки и техники (SGF) в качестве стипендиата Габилана. MH была частично поддержана Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов в рамках гранта No. HR00112220010. AOG признает поддержку стипендии Национального научного фонда для аспирантов в рамках гранта DGE-1656518 и стипендии Стэнфордского аспиранта в области науки и техники (SGF) в качестве стипендиата Скотта А. и Джеральдин Д. Макомбер.
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).
