Summary
Este protocolo detalla la síntesis de nanocápsulas de conversión ascendente para su posterior uso en resinas fotopolimerizables para la impresión 3D volumétrica facilitada por la conversión ascendente por fusión triplete.
Abstract
La conversión ascendente de fusión triplete (UC) permite la generación de un fotón de alta energía a partir de dos fotones de entrada de baja energía. Este proceso bien estudiado tiene implicaciones significativas para producir luz de alta energía más allá de la superficie de un material. Sin embargo, el despliegue de materiales UC se ha visto obstaculizado debido a la mala solubilidad del material, los altos requisitos de concentración y la sensibilidad al oxígeno, lo que en última instancia resulta en una salida de luz reducida. Con este fin, la nanoencapsulación ha sido un motivo popular para eludir estos desafíos, pero la durabilidad ha seguido siendo difícil de alcanzar en los disolventes orgánicos. Recientemente, se diseñó una técnica de nanoencapsulación para abordar cada uno de estos desafíos, con lo cual una nanogota de ácido oleico que contenía materiales de conversión ascendente se encapsuló con una cubierta de sílice. En última instancia, estas nanocápsulas (NC) fueron lo suficientemente duraderas como para permitir la impresión tridimensional volumétrica (3D) facilitada por la conversión ascendente de triple fusión. Al encapsular los materiales de conversión ascendente con sílice y dispersarlos en una resina de impresión 3D, se hizo posible el fotopatrón más allá de la superficie de la cuba de impresión. Aquí, los protocolos de video para la síntesis de NC de conversión ascendente se presentan para lotes a pequeña y gran escala. Los protocolos descritos sirven como punto de partida para adaptar este esquema de encapsulación a múltiples esquemas de conversión ascendente para su uso en aplicaciones de impresión 3D volumétrica.
Introduction
Alejarse de los procesos de fabricación sustractivos (es decir, formas complejas hechas tallando bloques de materia prima) puede reducir el desperdicio y aumentar las tasas de producción. En consecuencia, muchas industrias se están moviendo hacia procesos de fabricación aditiva, donde los objetos se construyen capa por capa1 mediante impresión tridimensional (3D). Muchos están trabajando para desarrollar procesos de fabricación aditiva para numerosas clases de materiales (por ejemplo, vidrio2, cerámica3,4, metales5 y plásticos 6,7).
Este curado capa por capa limita la selección de resina y afecta a las propiedades mecánicas de la impresión 6,7. Teniendo en cuenta la impresión 3D basada en la luz para la fabricación de plásticos, la impresión basada en la absorción de dos fotones (2PA) se aleja de los procesos capa por capa al imprimir volumétricamente8. El proceso de 2PA requiere la absorción simultánea de dos fotones para iniciar la polimerización. Esto no solo aumenta las entradas de potencia requeridas, sino que también aumenta la complejidad y el costo del sistema de impresión, limitando los tamaños de impresión a la escala mm3 o menor9.
Recientemente, una nueva metodología de impresión 3D que utiliza la conversión ascendente por fusión triplete (UC) ha hecho posible la impresión 3D volumétrica con UC en la escala cm3 10. Emocionantemente, este proceso requiere irradiación de densidad de potencia relativamente baja 10 en comparación con la impresión basada en 2PA 9,11,12. El proceso de conversión ascendente convierte dos fotones de baja energía en un fotón de alta energía13, y la luz convertida hacia arriba es absorbida por el fotoiniciador para iniciar la polimerización. El despliegue de materiales UC de fusión triplete ha sido tradicionalmente un desafío debido a los altos requisitos de concentración de material, la baja solubilidad y la sensibilidad al oxígeno13,14,15. La encapsulación de materiales de CU utilizando una variedad de esquemas de nanopartículas ha sido bien estudiada16, pero no alcanza la durabilidad requerida en solventes orgánicos. El protocolo sintético de nanocápsula de conversión ascendente de ácido oleico recubierto de sílice (UCNC) descrito aquí supera este desafío de durabilidad para la dispersión de materiales de CU en una amplia variedad de solventes orgánicos, incluidas las resinas de impresión3D 10. La luz convertida generada a partir de materiales dentro de las nanocápsulas se modela en múltiples dimensiones para generar objetos sólidos libres de estructura de soporte, lo que permite imprimir estructuras de alta resolución con una resolución tan pequeña como 50 μm10. Al eliminar las estructuras de soporte e imprimir en un entorno libre de oxígeno, se puede acceder a nuevas químicas de resina para lograr propiedades de materiales mejoradas y novedosas inaccesibles con la estereolitografía tradicional.
Aquí, el protocolo sintético UCNC se describe para encapsular el sensibilizador (paladio (II) meso-tetrafenil tetrabenzoporfina, PdTPTBP) y el aniquilador (9,10-bis((triisopropilsilil)etinil)antraceno, TIPS-an) en dos escalas diferentes. La síntesis a gran escala proporciona material para proporcionar ~ 10 g de pasta de nanocápsula de conversión ascendente para su uso en resinas de impresión 3D. La síntesis a pequeña escala de ~ 1 g de pasta de nanocápsula de conversión ascendente permite la optimización de nuevos contenidos de nanocápsulas. Este protocolo apoyará la integración exitosa de UCNC de fusión triplete en una variedad de flujos de trabajo de impresión 3D y otras aplicaciones.
Protocol
1. Síntesis de nanocápsulas de conversión ascendente a gran escala
- En una guantera (ver Tabla de materiales) con una atmósfera inerte bajo iluminación roja, prepare soluciones saturadas del sensibilizador (PdTPTBP) y aniquilador (TIPS-antraceno) (ver Tabla de materiales) en ácido oleico al 99% a temperatura ambiente (~22 °C).
- Añadir 2 ml de ácido oleico a 20 mg de PdTPTBP en un vial con una barra de agitación. Luego, cubra el vial con papel de aluminio para protegerlo de la luz ambiental. Añadir 2 ml de ácido oleico a 25 mg de TIPS-antraceno en un vial con una barra de agitación.
- Revuelva las mezclas a 600 rpm durante al menos 4 h antes de filtrar con un filtro de jeringa de PTFE de 0,45 μm. Cada solución debe tener visiblemente sólido no disuelto para ser eliminado por filtración, lo que significa que cada solución está saturada.
- Con una jeringa, prepare 1,75 ml de la solución madre de material de conversión ascendente mezclando 0,7 ml de la solución filtrada de TIPS-antraceno, 0,35 ml de la solución filtrada de PdTPTBP y 0,7 ml de ácido oleico.
NOTA: La solución de conversión ascendente utilizada para las nanocápsulas tiene una proporción de 2: 1: 2 de TIPS-antraceno a PdTPTBP a ácido oleico por volumen.
- Mida 4 g de MPEG-silano 10K en un vial limpio de 20 ml para que esté listo para su uso durante la síntesis. Esto se puede realizar dentro o fuera de la guantera. Si este material se mide fuera de la guantera, cierre bien la tapa del vial con una película de sellado o cinta aislante antes de introducirla en la guantera.
- En un erlenmeyer de 250 ml sellado con un tabique, enfriar 200 ml de agua desionizada ultrapura en un baño de hielo durante al menos 1 h para alcanzar ~5 °C . Por lo general, esto toma algunas horas.
- Fije el tabique al matraz con al menos seis piezas de película de sellado. Esto es para asegurar que el tabique permanezca fijado cuando el matraz esté vacío en la antecámara de la guantera.
- Introduzca el agua fría en la guantera inmediatamente antes de preparar las nanocápsulas. Solo tire de un ligero vacío en la antecámara cuando traiga el agua tirando del 20% del vacío según la medición en el manómetro de la antecámara.
- Después de llevar el agua a la guantera, active inmediatamente la función de purga de la guantera para evitar la columna. Esto elimina el oxígeno introducido al introducir el agua bajo vacío ligero y prolonga la vida útil de la columna. Mantenga la purga hasta que se complete la síntesis y todos los desechos se hayan eliminado de la guantera.
- Asegúrese de que todos los productos químicos y consumibles estén listos para usar, incluidas las jeringas y agujas para dispensar (3-aminopropil) trietoxisilano (APTES) y ortosilicato de tetraetilo. Asegúrese de que el 10K MPEG-silane esté a su alcance. Para la limpieza, los paños de nylon también son útiles para tener disponibles.
- Enchufe la licuadora (consulte la Tabla de materiales). Cubra los enchufes eléctricos con un recipiente de plástico o un paño de nylon. Esta barrera permite la protección en caso de una fuga inesperada de la licuadora. Asegúrese de que la licuadora esté apagada.
- Vierta cuidadosamente el agua en la licuadora. Añadir 1,45 ml de la solución madre del material de conversión ascendente (preparada en el paso 1.1.3) en una porción con una jeringa en el centro del agua de la licuadora.
- Fije la tapa y cúbrala con una toallita de nylon en caso de una fuga inesperada. Licúe a la velocidad máxima (22,600 rpm) durante exactamente 60 s mientras mantiene la tapa de la licuadora para evitar pequeñas fugas.
- Apague la licuadora y muévala fuera del camino para garantizar un espacio de trabajo adecuado.
- Transferir la emulsión a un matraz de fondo redondo de 500 ml. Fije el matraz a una placa de agitación con una abrazadera. Mezcle la emulsión vigorosamente a 1200 rpm con una barra de agitación en forma de huevo (consulte la Tabla de materiales).
- Usando una jeringa, agregue 0.75 ml de APTES a la emulsión para generar una solución transparente de micelas.
- Agregue 4 g de MPEG-silano 10K para evitar la agregación de cápsulas. Agite el matraz si es necesario para asegurarse de que se dispersa. Revuelva a 1200 rpm durante aproximadamente 10 minutos.
- Durante este tiempo, seque la licuadora y la tapa con un paño de nylon. Use pinzas para mantener las manos lejos de las cuchillas afiladas de la licuadora.
- Después de que hayan pasado 10 minutos, agregue 15 ml de ortosilicato de tetraetilo en una porción con una jeringa de 20 ml. Agregue otros 15 ml de ortosilicato de tetraetilo en una porción usando una jeringa de 20 ml para un total de 30 ml. Fijar un tabique al matraz y agitar a 1200 rpm durante 30 min.
- Retire el matraz y los desechos de la guantera y apague la purga de la guantera.
- Fije el matraz a una placa de agitación con un elemento calefactor, como un baño de aceite o un bloque calefactor de aluminio. Conecte el matraz a una línea Schlenk para que la reacción se mantenga a una presión constante bajo un gas inerte como nitrógeno o argón.
- Agitar y calentar la reacción a 65 °C a una velocidad de 1200 rpm durante 40 h.
- Después de 40 h, desconecte la reacción de la línea Schlenk para agregar 4 g de MPEG-silano 10K. Vuelva a conectar la reacción a la línea de Schlenk. Remover y calentar la reacción a 65 °C a 1200 rpm durante 8 h.
- Después de 8 h, apague el fuego y deje que la reacción se enfríe a temperatura ambiente mientras agita a 1200 rpm.
- Cuando la reacción esté fría, transfiera la reacción a tubos de centrífuga.
- Para una centrífuga (consulte la Tabla de materiales) que contiene tubos de centrífuga de 50 ml, divida la reacción en partes iguales entre 10 tubos de centrífuga.
- Para una centrífuga que contiene tubos de centrífuga de 0,5 L, divida la reacción en partes iguales entre dos tubos de centrífuga.
- Centrifugar la suspensión a 8670 x g durante 1 h a una temperatura de 20-22 °C. Deseche el pellet y conserve el sobrenadante que contiene las nanocápsulas.
- Centrifugar el sobrenadante a 8670 x g durante 14-16 h a 20-22 °C.
- Deseche el sobrenadante y recoja el pellet que contiene nanocápsulas de conversión ascendente.
- Con una pipeta, enjuague cuidadosamente la superficie superior del pellet de nanocápsula con agua desionizada ultrapura (2 x 10 ml). Esto debe llevarse a cabo a un flujo bajo para que el pellet no se desprenda del tubo de centrífuga.
- Transfiera la pasta de nanocápsulas en dos o tres viales separados de centelleo de 20 ml con una espátula e inmediatamente lleve los viales a la guantera. Se deben recuperar aproximadamente 7-10 g de pasta de nanocápsulas.
NOTA: Para su uso posterior, se recomienda que las nanocápsulas se dispersen en un disolvente como un monómero para impresión 3D o agua desionizada ultrapura desoxigenada dentro de las 48 h de síntesis. El agua se evaporará de la pasta de nanocápsulas y dejará las nanocápsulas inutilizables después de 48 h.
- Realice microscopía electrónica de barrido (SEM), dispersión dinámica de luz (DLS) y fotoluminiscencia de conversión ascendente para caracterizar la preparación de la nanocápsula.
2. Síntesis de nanocápsulas de conversión ascendente a pequeña escala
- Preparar las soluciones madre del sensibilizador y del aniquilador como se describe en el paso 1.1. Reducir el volumen de la solución utilizada para hacer nanocápsulas de conversión ascendente a 250 μL en lugar de los 1,75 ml descritos en el paso 1.1. Mezclar 100 μL de la solución TIPS-an filtrada con 50 μL de la solución filtrada de PdTPTBP y 100 μL de ácido oleico.
- Escupir vigorosamente 20 ml de agua desionizada ultrapura en un vial de centelleo de 40 ml (ver Tabla de materiales) con un gas inerte, como nitrógeno o argón, usando una línea de Schlenk durante al menos 10 min. Fije la tapa con cinta aislante o película de sellado antes de introducir el vial en la guantera.
NOTA: Si se realizan varias muestras a pequeña escala a la vez, se pueden desgasificar suficientemente volúmenes más grandes de agua mezclando 200 ml de agua refrigerada como se describe en la sección 1 utilizando una jarra licuadora limpia y sin usar. El rociado de agua con un gas inerte en una línea Schlenk no es efectivo en volúmenes superiores a 20 ml. - Mida 400 mg de MPEG-silano 10K para que esté listo para su uso durante la síntesis en un vial limpio de 10 ml. Esto se puede realizar dentro o fuera de la guantera. Si esto se mide fuera de la guantera, asegure la tapa del vial con una película de sellado o cinta aislante antes de introducirla en la guantera.
- Lleve el agua escupida a la guantera e inmediatamente encienda la función de purga de guantera para evitar la columna. Esto elimina el oxígeno introducido al introducir el agua bajo un ligero vacío y prolonga la vida útil de la columna. La purga debe permanecer hasta que se complete la síntesis y todos los desechos se hayan eliminado de la guantera.
- Asegúrese de que todos los productos químicos y consumibles (jeringas de 5 ml y una micropipeta con puntas) estén listos para usar.
- Con una jeringa, retire 1 ml de (3-aminopropil)trietoxisilano del frasco y dispense en un vial limpio y etiquetado de 20 ml para su uso posterior.
- Con una jeringa, retire 5 ml de ortosilicato de tetraetilo y dispense en un vial limpio y etiquetado de 20 ml para su uso posterior.
- Asegúrese de que el 10K MPEG-silane esté al alcance de la guantera.
- Para la limpieza, también es útil tener paños de nylon adicionales disponibles.
- Enchufe el mezclador de vórtice (consulte la Tabla de materiales) y ajuste la velocidad al ajuste más alto (3200 rpm).
- Con una micropipeta, añadir 145 μL de solución madre sensibilizante/aniquiladora a un vial de agua (20 ml). Fije la tapa con cinta aislante o película de sellado.
- Vortex la solución a la velocidad más alta del mezclador de vórtice (3200 rpm) durante 7 min para garantizar la formación de nanogotas similar a la síntesis a gran escala. Sostenga el vial cerca de la base y nunca se aferre a la tapa del vial durante el vórtice, ya que la tapa puede aflojarse y desprenderse del vial.
- Fije el vial a una placa de agitación. Revuelva la emulsión a 1200 rpm con una barra de agitación en forma de octágono (consulte la Tabla de materiales).
- Usando una micropipeta, añadir 75 μL de APTES para generar una solución transparente de micelas.
- Después de generar la solución transparente, agregue inmediatamente 400 mg de MPEG-silano 10K. Fije la tapa y agite el vial para mezclar eficientemente la reacción. Devuelva el vial a la placa de agitación.
- Usando una jeringa, agregue 3 ml de ortosilicato de tetraetilo en secuencia mientras se agita la reacción a 1200 rpm. Fije la tapa y agite el vial para mezclar eficientemente la reacción. Revuelva la reacción a 1200 rpm hasta que se retire de la guantera.
- Selle el vial con cinta aislante o película de sellado y retire el vial de la guantera.
- Calentar la solución a 65 °C con un baño de aceite o un bloque calefactor de aluminio. Revuelva la reacción a 1200 rpm durante 40 h.
- Después de 40 h, agregue 400 mg de MPEG-silano 10K. Vuelva a sellar el vial con cinta aislante o película de sellado. Revuelva la reacción a 1200 rpm durante 8 h.
- Deje que la reacción se enfríe a temperatura ambiente mientras agita a 1200 rpm. Cuando la reacción esté fría, combine las mezclas de reacción en un tubo de centrífuga de 50 ml.
- Centrifugar la suspensión a 8670 x g durante 1 h a una temperatura de 20-22 °C. Deseche el pellet y conserve el sobrenadante que contiene las nanocápsulas.
- Centrifugar el sobrenadante a 8670 x g durante 14-16 h a 20-22 °C.
- Deseche el sobrenadante y conserve el pellet que contiene nanocápsulas de conversión ascendente. Con una pipeta, enjuague cuidadosamente la superficie superior del pellet de nanocápsula con 2 x 1 ml de agua desionizada ultrapura. Esto debe llevarse a cabo a un flujo bajo para que el pellet no se desprenda del tubo de centrífuga.
- Transfiera la pasta de nanocápsulas a un vial de centelleo de 20 ml con una espátula y lleve los viales a la guantera inmediatamente. Se deben recuperar aproximadamente 700-1000 mg de pasta de nanocápsulas.
NOTA: Para su uso posterior, se recomienda que las nanocápsulas se dispersen en un disolvente, como un monómero para impresión 3D o agua desionizada ultrapura desoxigenada, dentro de las 48 h. El agua se evaporará de la pasta de nanocápsulas y dejará las nanocápsulas inutilizables después de 48 h.
Representative Results
La Figura 1 muestra una representación caricaturesca del protocolo de síntesis de nanocápsulas de conversión ascendente. Se enfatizan los paralelismos entre la preparación UCNC a pequeña y gran escala, como la generación de emulsión de aceite en agua y la adición de productos químicos para sintetizar la cáscara de sílice. De la síntesis a pequeña escala, se recolectan típicamente 700-1000 mg de pasta UCNC, mientras que 7-10 g de UCNC se recolectan típicamente de la síntesis a gran escala.
Las nanocápsulas fueron caracterizadas utilizando una combinación de técnicas espectroscópicas y microscópicas10. Para preparar muestras para SEM, se lanzó una película a partir de una solución de 100 mg de pasta de nanocápsulas mL-1 dispersada en agua sobre un sustrato SEM conductor apropiado y se dejó secar. La conductividad de las nanocápsulas es inherentemente baja, pero aún suficiente para la caracterización sin la adición de otro material conductor. Una imagen SEM representativa (Figura 2A) muestra las nanocápsulas relativamente monodispersas con diámetros de ~50 nm obtenidas con este protocolo. Una limitación del uso de SEM para caracterizar la morfología de los UCNC es que son inestables bajo vacío ultra alto durante largos períodos de tiempo. Bajo el vacío ultra alto necesario para las mediciones SEM, los UCNC se pueden visualizar con éxito si funcionan de manera eficiente, generalmente dentro de los 30 minutos. Los UCNC se fusionan bajo alto vacío después de aproximadamente 30 minutos bajo vacío ultra alto (Figura 2B). Esta fusión no se observa en condiciones ambientales siguiendo el procedimiento descrito en este protocolo (ver infra). Incluso a la luz de las consideraciones de estabilidad al vacío, la microscopía electrónica sigue siendo un método beneficioso para evaluar la morfología típica de las UCNC.
La dispersión dinámica de luz (DLS) es otra técnica útil para caracterizar el diámetro hidrodinámico promedio de nanocápsulas en solución. Las muestras para DLS se pueden preparar fácilmente con una muestra de UCNC diluidas. Aquí, una muestra del sobrenadante recuperada después de la primera centrífuga (paso 1.23 o 2.17) se caracterizó por DLS. El sobrenadante se diluyó en un factor de 10x con agua desionizada ultrapura y se filtró con un filtro de PVDF de 0,2 μm para eliminar partículas grandes y polvo. Alternativamente, se puede caracterizar la pasta UCNC a una concentración de 100 mg mL-1 en agua desionizada ultrapura diluida 10x y filtrada con un filtro PVDF de 0,2 μm. El diámetro hidrodinámico se midió utilizando DLS para ser <100 nm de lote a lote, típicamente en el rango de 65-90 nm10. La agregación de nanopartículas no se observa bajo estas condiciones de caracterización, eliminando la necesidad de un electrolito adicional10. Se pueden generar diámetros UCNC similares a partir de protocolos a gran o pequeña escala; en la Figura 2C se presentan trazas representativas de una exploración. Debido al movimiento browniano y al proceso matemático de ajuste a la ecuación de Stokes-Einstein, muchos escaneos se promedian juntos para determinar los diámetros hidrodinámicos promedio17. Los diámetros hidrodinámicos promedio para las muestras mostradas en la Figura 2C son ~75 nm para el lote grande (polidispersidad, PDI: 0.21) y ~66 nm (PDI: 0.15) para el lote pequeño presentado. Esta variación en el diámetro hidrodinámico es típica de un lote a otro, independientemente de la escala de reacción.
Finalmente, la caracterización óptica es vital para evaluar la integridad de la encapsulación de la cubierta de sílice (Figura 2D). Aquí, una muestra del sobrenadante recuperado después de la primera centrífuga se diluyó 10 veces en acetona desoxigenada en la guantera. La muestra se diluyó en acetona para probar la integridad estructural de los UCNC. En la Figura 2D, la emisión de conversión ascendente de antraceno está claramente presente tras la irradiación con un láser de 635 nm, lo que significa que la capa de sílice promedio permanece intacta. Si las capas de sílice son demasiado delgadas, la conversión ascendente brillante es extremadamente baja tras la irradiación con un láser de 635 nm. Esto se debe a que el contenido de conversión ascendente se disuelve y diluye en acetona a una concentración demasiado baja para generar una emisión brillante convertida al alza10.
Figura 1: Una representación de dibujos animados del proceso sintético de nanocápsulas de conversión ascendente a pequeña y gran escala. Esta figura fue creada con Biorender.com. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Caracterización representativa de nanocápsulas mediante microscopía y espectroscopia . (A) SEM de las UCNC muestra la escala y uniformidad de la síntesis de nanocápsulas de conversión ascendente. Barra de escala = 200 nm. (B) SEM de los UCNC que se han fusionado bajo vacío ultra alto en el transcurso de ~ 30 min. Las muestras SEM se prepararon mediante soluciones de fundición por gota de UCNC en agua ultrapura desionizada. Barra de escala = 20 μm. (C) Trazas representativas de DLS de nanocápsulas de conversión ascendente preparadas a pequeña y gran escala. Los UCNC se diluyeron en agua ultrapura desionizada. (D) La emisión de conversión ascendente de TIPS-an en UCNC diluidos en acetona se generó tras la irradiación con un láser de 635 nm a ~65 W cm-2. Esta brillante conversión ascendente significa que las capas de sílice son lo suficientemente gruesas como para evitar que el contenido de la nanocápsula se derrame. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Hay varias consideraciones al preparar nanocápsulas brillantes de conversión ascendente. Primero, la síntesis se completa en una guantera porque los materiales de conversión ascendente deben protegerse del oxígeno: está bien establecido que la salida de luz convertida se reduce en presencia de oxígeno13,14,15,16. Además, las soluciones madre sensibilizadoras y aniquiladoras deben prepararse frescas para cada lote. Se ha demostrado que el PdTPTBP y otras porfirinas metalizadas se desmetalan en la iluminación ambiental en presencia del ácido18, y se sabe que los antracenos se agregan con el tiempo19. Estos efectos se pueden minimizar preparando soluciones frescas bajo luz roja para cada síntesis. Los autores señalan que ya no se requiere una iluminación roja rigurosa una vez que se mezclan la porfirina metalizada y el antraceno, y la iluminación ambiental es aceptable para usar después de este paso. Finalmente, para la síntesis a gran escala, se recomienda que se prepare al menos 1,75 ml de la solución madre de conversión ascendente, ya que agregar menos de 1,45 ml de esta solución para hacer UCNC alterará las proporciones de todos los demás reactivos requeridos, así como la formación de nanogotas dependientes de la concentración. Del mismo modo, para la síntesis a pequeña escala, se recomienda que 250 μL de la solución madre de conversión ascendente se preparen en las mismas proporciones. Finalmente, cuando use una micropipeta para dispensar las soluciones madre de ácido oleico, suelte lentamente el émbolo y espere a que se eleve completamente para dispensar el volumen deseado. El ácido oleico llenará lentamente la punta de la pipeta debido a su alta viscosidad y es fácil dispensar inadvertidamente menos solución de lo esperado.
Es importante entender que la generación de nanogotas de ácido oleico es sensible al tiempo de mezcla, la velocidad y los cambios significativos de temperatura. Por ejemplo, la selección de la licuadora es significativa y puede afectar la formación de nanogotas de ácido oleico. Se probaron múltiples marcas de licuadoras en las etapas iniciales de desarrollo. La licuadora recomendada en la Tabla de Materiales condujo a la generación de nanocápsulas relativamente superiores y reproducibles descritas en este protocolo. En particular, la mezcla potente aumenta la temperatura de la emulsión y reduce la eficiencia de formación de nanogotas de ácido oleico. Las cuchillas de la licuadora deben estar completamente sumergidas en agua para controlar mejor la temperatura, que fue una consideración para determinar el volumen de agua requerido presentado aquí10. Además, enfriar el agua por adelantado reduce la agregación de gotas en la emulsión, lo que en última instancia mejora el rendimiento de la nanocápsula para la síntesis a gran escala. Por otro lado, para la síntesis a pequeña escala, enfriar el agua no altera significativamente la formación de nanogotas oleicas, probablemente porque sostener el vial de 40 ml no aumenta la temperatura del agua tanto como las cuchillas de la licuadora.
La adición de APTES es un paso sintético significativo, ya que APTES estabiliza las nanogotas de ácido oleico generadas por mezcla o vórtice. La emulsión inicial de nanogotas es una dispersión turbia y turbia. Tras la adición de APTES, la solución se vuelve clara y transparente a medida que las nanogotas se estabilizan. En promedio, los volúmenes de APTES requeridos están muy cerca de lo que se presenta en el protocolo, pero a veces se requiere un poco menos o un poco más de APTES para que la solución sea clara. Por lo tanto, la adición de APTES debe tratarse de manera análoga a la realización de otras valoraciones20. Agregar demasiado APTES (es decir, más allá de una solución "simplemente clara") interrumpirá la formación de la cubierta de la nanocápsula y disminuirá el rendimiento. Con ese fin, si se requieren volúmenes significativamente diferentes de APTES para producir una suspensión transparente, o nunca se alcanza una suspensión transparente, esto indica que se requiere una solución de problemas para optimizar la formación de nanogotas de ácido oleico. Por ejemplo, si la generación de nanogotas es ineficiente, el volumen de gotas y, por lo tanto, el área de superficie de la nanogota serán mayores de lo esperado y pueden requerir más APTES. Esto se ha observado en la síntesis a pequeña escala, y se puede remediar de varias maneras, como la fuerza utilizada para sostener un vial contra el mezclador de vórtice o aumentando el tiempo de vórtice.
Además, el 10K MPEG-silane debe agregarse inmediatamente después de APTES para evitar la agregación y no se puede omitir10. Sin la adición de 10K MPEG-silano, la agregación irreversible se observa dentro de ~ 30 min en forma de generación de precipitado. Aunque el MPEG-silano 5K puede sustituirse por MPEG-silano 10K, los MPEG-silanos de menor peso molecular no impiden suficientemente la agregación a una concentración constante.
La formación de la cáscara de sílice es clave para impartir durabilidad UCNC cuando se dispersa en varias soluciones. Mientras que el crecimiento de la cáscara de sílice generalmente está bien estudiado 21,22,23, la catálisis de ácidoo base 21 de uso frecuente para promover el crecimiento de sílice no se utiliza aquí, ya que el calentamiento es suficiente para generar una capa de sílice reticulada duradera. Para monitorear la formación de la cáscara de sílice a lo largo del tiempo, se debe observar una conversión ascendente brillante después de la dilución 100x de una alícuota de reacción de nanocápsula en un solvente orgánico, como la acetona, con una fosforescencia sensibilizante mínima para el sistema PdTPTBP / TIPS-an (Figura 2D y referencia10). Por lo general, la conversión ascendente brillante es observable después de aproximadamente 24 h, pero 48 h aumentará la emisión relativa, lo que significa que una población más grande de los UCNC posee una cáscara duradera. Tenga en cuenta que la emisión de UC depende de la potencia de irradiación y se deben emplear densidades de potencia suficientes. Por ejemplo, en el sistema descrito aquí, se requieren densidades de potencia del orden de ~ 65 W cm-2 para ver PL brillante convertido hacia arriba.
La segunda adición de MPEG-silano 10K después de 40 h de crecimiento de sílice mejora la dispersabilidad de la nanocápsula en disolventes orgánicos. Si bien los UCNC seguirán siendo dispersables en múltiples disolventes sin esta segunda adición de MPEG-silano de 10K, la segunda adición es muy recomendable para aumentar las cargas de UCNC en masa en solución. Por ejemplo, para su uso en una resina de impresión 3D, 0,67 g mL-1 de pasta de nanocápsulas se dispersó en ácido acrílico10.
La exposición de los UCNC al oxígeno durante todo el proceso de fabricación de varios días da como resultado la entrada de oxígeno en concentraciones que reducen significativamente la fotoluminiscencia de conversión ascendente. Para garantizar que se mantenga una atmósfera inerte durante las 48 h de agitación en una atmósfera ambiente, se invocan diferentes protocolos dependiendo de la escala de reacción. A gran escala, el etanol generado durante el crecimiento de la sílice puede producir presiones significativas que pueden conducir a la eliminación de un tabique fijado o a la pérdida de integridad estructural del recipiente de reacción24. Por lo tanto, el matraz de 500 ml debe conectarse a una línea Schlenk para permitir una liberación de presión en una atmósfera inerte. A escalas pequeñas, sellar un vial de vidrio de 40 ml con película de sellado o cinta aislante mantiene la integridad estructural del sello. Sin sellar la tapa del vial, el aumento de la presión desenroscará lentamente la tapa y permitirá la entrada de oxígeno.
La purificación de la reacción por centrifugación separa los UCNC de otros productos secundarios no deseados. Múltiples marcas de centrífugas y rotores son compatibles con esta purificación si la fuerza g proporcionada en el protocolo es accesible. La fuerza g se puede convertir en rotaciones por minuto en función de las dimensiones del rotor de la centrífuga25. La exposición breve de los UCNC a una atmósfera ambiente durante la centrifugación es aceptable siempre que se almacenen en una atmósfera inerte después de la purificación. Una limitación de esta síntesis es que el rendimiento del átomo es difícil de cuantificar en relación con los productos químicos de entrada. Después de la centrifugación, esta síntesis de nanocápsulas a gran escala debe producir aproximadamente 10 g de pasta y la síntesis a pequeña escala debe producir aproximadamente 1,0 g de pasta de cápsula. No está claro cuánto del TEOS se incorpora en la fabricación del shell UCNC. El pellet desechado después de la primera centrifugación está compuesto de sílice de gran peso molecular que no se incorpora a los UCNC. Después de la segunda centrifugación, el sobrenadante se puede centrifugar nuevamente para aumentar la masa recolectada. No se recomienda aumentar el tiempo de centrifugación más allá de 16 h, ya que la pasta de cápsula blanda se solidificará en una película compacta que no se puede dispersar en otros disolventes. Aun así, las masas de pasta de cápsulas recogidas de lote en lote son consistentes y son suficientes para su posterior uso y caracterización.
La durabilidad de UCNC puede variar de disolvente a disolvente, así como con las condiciones de almacenamiento. Mientras que la pasta UCNC recolectada por centrifugación es inutilizable después de 48 h a medida que el agua se evapora, las nanocápsulas son duraderas en una variedad de solventes. En el agua, la durabilidad de UCNC es del orden de varios meses. En el ácido acrílico, la durabilidad se reduce a días principalmente porque el disolvente de ácido acrílico es inestable y puede sufrir polimerización cuando se almacena en condiciones libres de oxígeno10,26. Se están llevando a cabo más investigaciones dependientes de disolventes sobre la durabilidad de UCNC.
La síntesis a pequeña escala es especialmente útil para comparaciones relativas de fotoluminiscencia de conversión ascendente entre diferentes formulaciones. La pasta NC recogida después de la segunda centrifugación debe dispersarse en agua a una concentración de 100-200 mg mL-1 y diluirse en acetona (u otro disolvente según se desee). Un mínimo del 25% del volumen de la solución debe contener agua (por ejemplo, 25/75 agua/acetona v/v) para mantener los NC suspendidos y evitar la formación de precipitados. Fue necesario comparar la emisión relativa de conversión ascendente entre lotes para determinar las concentraciones de sensibilizador y aniquilador en este protocolo. Tal vez contraintuitivamente, la proporción de sensibilizador a aniquilador requerida para maximizar la salida de luz en nanocápsulas UC para impresión 3D puede no ser equivalente a la relación que maximiza el rendimiento cuántico de UC27 en soluciones de stock de ácido oleico.
En conclusión, un protocolo detallado y las mejores prácticas para sintetizar nanocápsulas de conversión ascendente se amplían paso a paso10. Dado que otros métodos para encapsular materiales de conversión ascendente para su uso en aplicaciones de la vida real solo son compatibles con ambientes acuosos16, esta síntesis es significativa porque permite que los materiales de conversión ascendente se implementen en diversos entornos químicos, como solventes orgánicos. Estos métodos servirán para aumentar los enfoques para acceder a la impresión 3D volumétrica para la fabricación aditiva de precisión y en cualquier aplicación que requiera luz de alta energía más allá de la superficie.
Disclosures
La Universidad de Harvard ha presentado varias patentes basadas en este trabajo. SNS, RCS y DNC son cofundadores de Quadratic3D, Inc.
Acknowledgments
Financiación: Esta investigación se financia a través del apoyo de la Beca Rowland en el Instituto Rowland de la Universidad de Harvard, el Fondo Acelerador PSE de Harvard y la Fundación Gordon y Betty Moore. Una parte de este trabajo se realizó en el Centro de Harvard para Sistemas a Nanoescala (CNS), miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo NSF, Premio No. 1541959. Una parte de este trabajo se realizó en las Stanford Nano Shared Facilities (SNSF), con el apoyo de la National Science Foundation bajo el premio ECCS-2026822. Una parte de este trabajo se realizó en el Centro de Conocimiento de Estructura Macromolecular ChEM-H de Stanford.
Agradecimientos: THS y SNS reconocen el apoyo de las becas postdoctorales Arnold O. Beckman. MS reconoce el apoyo financiero a través de una beca de movilidad Doc. de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (Proyecto No. P1SKP2 187676). PN reconoce el apoyo de una beca de posgrado de Stanford en Ciencia e Ingeniería (SGF) como miembro de Gabilan. MH fue parcialmente apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa bajo la Subvención No. HR00112220010. AOG reconoce el apoyo de una beca de investigación de posgrado de la Fundación Nacional de Ciencias bajo la subvención DGE-1656518 y una beca de posgrado de Stanford en Ciencia e Ingeniería (SGF) como becaria Scott A. y Geraldine D. Macomber.
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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