Summary
Detta protokoll beskriver syntesen av uppkonverteringsnanokapslar för efterföljande användning i fotopolymeriserbara hartser för tripletfusionsuppkonverteringsunderlättad volymetrisk 3D-utskrift.
Abstract
Triplet fusion upconversion (UC) möjliggör generering av en högenergifoton från två fotoner med låg energitillförsel. Denna välstuderade process har betydande konsekvenser för att producera högenergiljus bortom ett materials yta. Emellertid, utplaceringen av UC-material har hindrats på grund av dålig materiallöslighet, höga koncentrationskrav, och syrekänslighet, vilket i slutändan resulterar i minskad ljuseffekt. För detta ändamål har nanoinkapsling varit ett populärt motiv för att kringgå dessa utmaningar, men hållbarhet har förblivit svårfångad i organiska lösningsmedel. Nyligen konstruerades en nanoinkapslingsteknik för att hantera var och en av dessa utmaningar, varpå en oljesyrananodropp innehållande uppomvandlingsmaterial kapslades in med ett kiseldioxidskal. I slutändan var dessa nanokapslar (NC) tillräckligt hållbara för att möjliggöra triplet fusion upconversion-underlättad volymetrisk tredimensionell (3D) utskrift. Genom att kapsla in uppkonverteringsmaterial med kiseldioxid och sprida dem i ett 3D-utskriftsharts möjliggjordes fotopatterning bortom ytan på tryckbehållaren. Här presenteras videoprotokoll för syntes av upconversion NCs för både småskaliga och storskaliga satser. De skisserade protokollen fungerar som utgångspunkt för att anpassa detta inkapslingsschema till flera uppkonverteringsscheman för användning i volymetriska 3D-utskriftsapplikationer.
Introduction
Att flytta sig bort från subtraktiva tillverkningsprocesser (dvs. komplexa former gjorda av snidningsblock av råmaterial) kan minska avfallet och öka produktionshastigheterna. Följaktligen går många industrier mot additiva tillverkningsprocesser, där objekt byggs lagerför lager 1 med hjälp av tredimensionell (3D) utskrift. Många arbetar med att utveckla additiva tillverkningsprocesser för många materialklasser (t.ex. glas2, keramik 3,4, metaller5 och plast 6,7).
Denna lager-för-lager-härdning begränsar hartsvalet och påverkar utskriftens mekaniska egenskaper 6,7. Med tanke på ljusbaserad 3D-utskrift för tillverkning av plast rör sig tvåfotonabsorptionsbaserad (2PA) -baserad utskrift bort från lager-för-lager-processerna genom att skriva ut volymetriskt8. 2PA-processen kräver samtidig absorption av två fotoner för att initiera polymerisation. Detta ökar inte bara de nödvändiga ströminmatningarna utan ökar också komplexiteten och kostnaden för utskriftssystemet, vilket begränsar utskriftsstorlekarna till mm3-skalan ellermindre 9.
Nyligen har en ny 3D-utskriftsmetodik med triplet fusion upconversion (UC) gjort volymetrisk 3D-utskrift med UC möjlig på cm3 skala10. Spännande nog kräver denna process relativt låg effekttäthet bestrålning10 jämfört med 2PA-baserad utskrift 9,11,12. Uppkonverteringsprocessen omvandlar två lågenergifotoner till en högenergifoton13, och det uppkonverterade ljuset absorberas av fotoinitiatorn för att initiera polymerisation. Att distribuera tripletfusion UC-material har traditionellt varit utmanande på grund av höga materialkoncentrationskrav, dålig löslighet och syrekänslighet13,14,15. Inkapsling av UC-material med hjälp av en mängd olika nanopartikelscheman har studerats väl16 men når inte upp till den hållbarhet som krävs i organiska lösningsmedel. Det syntetiska protokollet för kiseldioxidbelagd oljesyrauppkonvertering nanokapsel (UCNC) som beskrivs här övervinner denna hållbarhetsutmaning för dispersion av UC-material i en mängd olika organiska lösningsmedel, inklusive 3D-utskriftshartser10. Det uppkonverterade ljuset som genereras från material inuti nanokapslarna är mönstrat i flera dimensioner för att generera stödstrukturfria fasta föremål, vilket möjliggör utskrift av högupplösta strukturer med en upplösning så liten som 50 μm10. Genom att ta bort stödstrukturer och skriva ut i en syrefri miljö är nya hartskemier tillgängliga för att uppnå både förbättrade och nya materialegenskaper som är otillgängliga med traditionell stereolitografi.
Här beskrivs UCNC:s syntetiska protokoll för inkapsling av sensibiliseraren (palladium (II) mesotetrafenyltetrabensoporfin, PdTPTBP) och annihilatorn (9,10-bis((triisopropylsilyl)etynyl)antracen, TIPS-an) i två olika skalor. Syntes i stor skala ger material för att ge ~ 10 g upconversion nanokapselpasta för användning i 3D-utskriftshartser. Syntes i liten skala för ~ 1 g upconversion nanokapselpasta möjliggör optimering av nytt nanokapselinnehåll. Detta protokoll kommer att stödja en framgångsrik integration av triplet fusion UCNCs i en mängd olika 3D-utskriftsarbetsflöden och andra applikationer.
Protocol
1. Storskalig uppkonvertering nanokapselsyntes
- I en handskfack (se materialtabell) med en inert atmosfär under röd belysning, förbered mättade lösningar av sensibiliseraren (PdTPTBP) och annihilator (TIPS-antracen) (se materialtabellen) i 99% oljesyra vid rumstemperatur (~ 22 ° C).
- Tillsätt 2 ml oljesyra till 20 mg PdTPTBP i en injektionsflaska med omrörningsstång. Täck sedan injektionsflaskan med folie för att skydda mot omgivande ljus. Tillsätt 2 ml oljesyra till 25 mg TIPS-antracen i en injektionsflaska med omrörningsstång.
- Rör om blandningarna vid 600 rpm i minst 4 timmar innan de filtreras med ett 0,45 μm PTFE-sprutfilter. Varje lösning bör synligt ha oupplöst fast ämne som ska avlägsnas genom filtrering, vilket innebär att varje lösning är mättad.
- Bered med en spruta 1,75 ml av stamlösningen för uppkonversionsmaterialet genom att blanda 0,7 ml av den filtrerade TIPS-antracenlösningen, 0,35 ml av den filtrerade PdTPTBP-lösningen och 0,7 ml oljesyra.
OBS: Uppkonverteringslösningen som används för nanokapslarna har ett förhållande mellan 2: 1: 2 TIPS-antracen och PdTPTBP till oljesyra i volym.
- Mät 4 g 10K MPEG-silan i en ren 20 ml injektionsflaska så att den är klar att användas under syntesen. Detta kan utföras inuti eller utanför handskfacket. Om detta material mäts utanför handskfacket, säkra injektionsflaskans lock med tätningsfilm eller elektrisk tejp innan du tar in det i handskfacket.
- Kyl 200 ml ultrarent avjoniserat vatten i en 250 ml Erlenmeyerkolv förseglad med septum i ett isbad i minst 1 timme för att nå ~5 °C. Vanligtvis tar det några timmar.
- Fäst septumet på kolven med minst sex stycken tätningsfilm. Detta för att säkerställa att septumet förblir anbringat när kolven är under vakuum i handskfackets förkammare.
- Ta med det kylda vattnet i handskfacket omedelbart innan du förbereder nanokapslarna. Dra bara ett lätt vakuum på förkammaren när du tar in vattnet genom att dra 20% vakuum baserat på mätningen på antechamber-tryckmätaren.
- När du har tagit vattnet i handskfacket, slå omedelbart på handskfackets rensningsfunktion för att kringgå kolonnen. Detta tar bort syret som införs när vattnet förs in under ljusvakuum och förlänger kolonnens livslängd. Håll rensningen på tills syntesen är klar och allt avfall har tagits bort från handskfacket.
- Se till att alla kemikalier och förbrukningsvaror är redo att användas, inklusive sprutor och nålar för dosering (3-aminopropyl)trietoxisilan (APTES) och tetraetylortosilikat. Se till att 10K MPEG-silan är inom räckhåll. För rengöring är nylondukar också användbara att ha tillgängliga.
- Anslut mixern (se Materialförteckning). Täck eluttagen med en plastbehållare eller nylonduk. Denna barriär möjliggör skydd vid en oväntad mixerläcka. Se till att mixern är avstängd.
- Häll försiktigt vattnet i mixern. Tillsätt 1,45 ml av stamlösningen för uppkonfigureringsmaterialet (beredd i steg 1.1.3) i en portion med en spruta i mitten av vattnet i mixern.
- Fäst locket och täck det med en nylonservett vid en oväntad läcka. Blanda med maximal hastighet (22 600 rpm) i exakt 60 s medan du håller mixerlocket för att förhindra små läckor.
- Stäng av mixern och flytta den ur vägen för att säkerställa tillräckligt med arbetsutrymme.
- Överför emulsionen till en 500 ml rund bottenkolv. Fäst kolven på en omrörningsplatta med en klämma. Blanda emulsionen kraftigt vid 1200 rpm med en äggformad omrörningsstång (se Materialförteckning).
- Använd en spruta och tillsätt 0,75 ml APTES till emulsionen för att generera en klar lösning av miceller .
- Tillsätt 4 g 10K MPEG-silan för att förhindra kapselaggregering. Skaka kolven om det behövs för att säkerställa att den är dispergerad. Rör om vid 1200 rpm i ca 10 min.
- Under denna tid torkar du mixern och locket med en nylonduk. Använd en tång för att hålla händerna långt borta från de vassa mixerbladen.
- När 10 min har gått, tillsätt 15 ml tetraetylortosilikat i en portion med en 20 ml spruta. Tillsätt ytterligare 15 ml tetraetylortosilikat i en portion med en 20 ml spruta i totalt 30 ml. Fäst ett septum på kolven och rör om vid 1200 rpm i 30 min.
- Ta bort kolven och avfallet från handskfacket och stäng av handskfacket.
- Fäst kolven på en omrörningsplatta med ett värmeelement, t.ex. ett oljebad eller aluminiumvärmeblock. Anslut kolven till en Schlenk-ledning så att reaktionen hålls vid ett konstant tryck under en inert gas som kväve eller argon.
- Rör om och värm reaktionen vid 65 °C vid en hastighet av 1200 rpm i 40 timmar.
- Efter 40 h, koppla bort reaktionen från Schlenk-linjen för att tillsätta 4 g 10K MPEG-silan. Återanslut reaktionen till Schlenk-linjen. Rör om och värm reaktionen vid 65 °C vid 1200 rpm i 8 timmar.
- Efter 8 h, stäng av värmen och låt reaktionen svalna till rumstemperatur under omrörning vid 1200 rpm.
- När reaktionen är sval, överför reaktionen till centrifugrör.
- För en centrifug (se materialtabell) som rymmer 50 ml centrifugrör, dela reaktionen lika mellan 10 centrifugrör.
- För en centrifug som rymmer 0,5 L centrifugrör, dela reaktionen lika mellan två centrifugrör.
- Centrifugera suspensionen vid 8670 x g i 1 timme vid en temperatur av 20–22 °C. Kassera pelleten och behåll supernatanten som innehåller nanokapslarna.
- Centrifugera supernatanten vid 8670 x g i 14–16 timmar vid 20–22 °C.
- Kassera supernatanten och samla pelleten som innehåller uppkonversionsnanokapslar.
- Skölj försiktigt den övre ytan av nanokapselpelleten med ultrarent avjoniserat vatten (2 x 10 ml) med en pipett. Detta bör utföras vid ett lågt flöde så att pelleten inte lossnar från centrifugröret.
- Överför nanokapselpastan till två eller tre separata 20 ml scintillationsflaskor med en spatel och för omedelbart in injektionsflaskorna i handskfacket. Cirka 7-10 g nanokapselpasta bör återvinnas.
OBS: För vidare användning rekommenderas att nanokapslarna dispergeras i ett lösningsmedel, såsom en monomer för 3D-utskrift eller deoxygenerat ultrarent avjoniserat vatten inom 48 timmar efter syntes. Vatten kommer att avdunsta från nanokapselpastan och lämna nanokapslarna oanvändbara efter 48 timmar.
- Utför svepelektronmikroskopi (SEM), dynamisk ljusspridning (DLS) och uppkonversionsfotoluminescens för att karakterisera nanokapselpreparatet.
2. Småskalig uppkonvertering nanokapselsyntes
- Bered stamlösningarna av sensibiliseraren och annihilatorn enligt beskrivningen i steg 1.1. Skala ned volymen av den lösning som används för att göra upp nanokapslar till 250 μl i stället för de 1,75 ml som beskrivs i steg 1.1. Blanda 100 μl av den filtrerade TIPS-an-lösningen med 50 μl av den filtrerade PdTPTBP-lösningen och 100 μl oljesyra.
- Skona kraftigt 20 ml ultrarent avjoniserat vatten i en 40 ml scintillationsflaska (se materialtabell) med en inert gas, såsom kväve eller argon, med en Schlenk-linje i minst 10 minuter. Fäst locket med elektrisk tejp eller förseglingsfilm innan injektionsflaskan förs in i handskfacket.
OBS: Om flera småskaliga prover görs samtidigt kan större volymer vatten avgasas tillräckligt genom att blanda 200 ml kylt vatten enligt beskrivningen i avsnitt 1 med en ren, oanvänd mixerkanna. Sparging av vatten med en inert gas på en Schlenk-ledning är inte effektivt vid volymer större än 20 ml. - Mät 400 mg 10K MPEG-silan så att den är klar att användas under syntesen till en ren 10 ml injektionsflaska. Detta kan utföras inuti eller utanför handskfacket. Om detta mäts utanför handskfacket, säkra injektionsflaskans lock med tätningsfilm eller elektrisk tejp innan du tar in den i handskfacket.
- Ta med det sparrade vattnet i handskfacket och slå omedelbart på handskfackets rensningsfunktion för att kringgå kolonnen. Detta vispar bort syre som införs när vattnet förs in under ljusvakuum och förlänger kolonnens livslängd. Rensningen ska vara kvar tills syntesen är klar och allt avfall har tagits bort från handskfacket.
- Se till att alla kemikalier och förbrukningsmaterial (5 ml sprutor och en mikropipett med spetsar) är redo att användas.
- Använd en spruta, ta bort 1 ml (3-aminopropyl) trietoxisilan från flaskan och dosera den i en ren, märkt 20 ml injektionsflaska för senare användning.
- Ta bort 5 ml tetraetylortosilikat med en spruta och dosera den i en ren, märkt 20 ml injektionsflaska för senare användning.
- Se till att 10K MPEG-silan är inom räckhåll i handskfacket.
- För rengöring är extra nylondukar också användbara att ha tillgängliga.
- Anslut virvelblandaren (se Materialförteckning) och ställ in hastigheten till den högsta inställningen (3200 rpm).
- Tillsätt 145 μl sensibiliserande/annihilatorstamlösning med hjälp av en mikropipett till en injektionsflaska med vatten (20 ml). Fäst locket med elektrisk tejp eller tätningsfilm.
- Vortex lösningen med den högsta hastigheten hos virvelblandaren (3200 rpm) i 7 minuter för att säkerställa nanodroppbildning som liknar den storskaliga syntesen. Håll injektionsflaskan nära basen och håll aldrig fast vid injektionsflaskans lock under virvel, eftersom locket kan lossna och lossna från injektionsflaskan.
- Fäst injektionsflaskan på en omrörningsplatta. Rör om emulsionen vid 1200 rpm med en oktagonformad omrörningsstång (se Materialförteckning).
- Använd en mikropipett och tillsätt 75 μL APTES för att generera en klar lösning av miceller.
- Efter generering av den klara lösningen, tillsätt omedelbart 400 mg 10K MPEG-silan. Fäst locket och skaka injektionsflaskan för att effektivt blanda reaktionen. Sätt tillbaka injektionsflaskan på omrörningsplattan.
- Använd en spruta och tillsätt 3 ml tetraetylortosilikat i följd medan reaktionen omrörs vid 1200 rpm. Fäst locket och skaka injektionsflaskan för att effektivt blanda reaktionen. Rör om reaktionen vid 1200 rpm tills den tas bort från handskfacket.
- Förslut injektionsflaskan med elektrisk tejp eller förslutningsfilm och ta bort injektionsflaskan från handskfacket.
- Värm lösningen vid 65 °C med ett oljebad eller aluminiumvärmeblock. Rör om reaktionen vid 1200 rpm i 40 timmar.
- Efter 40 h, tillsätt 400 mg 10K MPEG-silan. Återförslut injektionsflaskan med elektrisk tejp eller tätningsfilm. Rör om reaktionen vid 1200 rpm i 8 timmar.
- Låt reaktionen svalna till rumstemperatur under omrörning vid 1200 rpm. När reaktionen är sval, kombinera reaktionsblandningarna i ett 50 ml centrifugrör.
- Centrifugera suspensionen vid 8670 x g i 1 timme vid en temperatur av 20–22 °C. Kassera pelleten och behåll supernatanten som innehåller nanokapslarna.
- Centrifugera supernatanten vid 8670 x g i 14–16 timmar vid 20–22 °C.
- Kassera supernatanten och behåll pelleten som innehåller nanokapslar för uppkonversion. Skölj försiktigt den övre ytan av nanokapselpelleten med 2 x 1 ml ultrarent avjoniserat vatten med en pipett. Detta bör utföras vid ett lågt flöde så att pelleten inte lossnar från centrifugröret.
- Överför nanokapselpastan till en 20 ml scintillationsflaska med en spatel och för omedelbart in injektionsflaskorna i handskfacket. Cirka 700-1000 mg nanokapselpasta bör återvinnas.
OBS: För vidare användning rekommenderas att nanokapslarna dispergeras till ett lösningsmedel, såsom en monomer för 3D-utskrift eller deoxygenerat ultrarent avjoniserat vatten, inom 48 timmar. Vatten kommer att avdunsta från nanokapselpastan och lämnar nanokapslarna oanvändbara efter 48 timmar.
Representative Results
Figur 1 visar en tecknad skildring av uppkonverteringsprotokollet för nanokapselsyntes. Parallellerna mellan den småskaliga och storskaliga UCNC-beredningen betonas, såsom oljan i vattenemulsionsgenerering och tillsats av kemikalier för att syntetisera kiseldioxidskalet. Från den småskaliga syntesen samlas vanligtvis 700-1000 mg UCNC-pasta, medan 7-10 g av UCNC vanligtvis samlas in från storskalig syntes.
Nanokapslarna karakteriserades med hjälp av en kombination av spektroskopiska och mikroskopitekniker10. För att förbereda prover för SEM droppgjuts en film från en lösning av 100 mg ml-1 nanokapselpasta dispergerad i vatten på ett lämpligt ledande SEM-substrat och fick torka. Konduktiviteten hos nanokapslarna är i sig låg, men fortfarande tillräcklig för karakterisering utan tillsats av ett annat ledande material. En representativ SEM-bild (figur 2A) visar de relativt monodispersa nanokapslarna med diametrar på ~ 50 nm erhållna med detta protokoll. En begränsning med att använda SEM för att karakterisera UCNC: s morfologi är att de är instabila under ultrahögt vakuum under långa perioder. Under ultrahögt vakuum som är nödvändigt för SEM-mätningar kan UCNC: erna framgångsrikt avbildas om de fungerar effektivt, vanligtvis inom 30 minuter. Denna fusion observeras inte under omgivande förhållanden enligt det förfarande som beskrivs i detta protokoll (vide infra). Även mot bakgrund av stabilitetsövervägandena under vakuum är elektronmikroskopi fortfarande en fördelaktig metod för att bedöma UCNC: s typiska morfologi.
Dynamisk ljusspridning (DLS) är en annan användbar teknik för att karakterisera den genomsnittliga nanokapselhydrodynamiska diametern i lösning. Proverna för DLS kan enkelt beredas med ett prov av utspädda UCNC. Här karakteriserades ett prov av supernatanten som återhämtades efter den första centrifugen (steg 1.23 eller 2.17) av DLS. Supernatanten späddes med en faktor 10x med ultrarent avjoniserat vatten och filtrerades med ett 0,2 μm PVDF-filter för att avlägsna stora partiklar och damm. Alternativt kan man karakterisera UCNC-pastan i en koncentration av 100 mg ml-1 i ultrarent avjoniserat vatten utspätt 10x och filtrerat med ett 0,2 μm PVDF-filter . Den hydrodynamiska diametern mättes med DLS för att vara <100 nm från sats till sats, vanligtvis i intervallet 65-90 nm10. Nanopartikelaggregering observeras inte under dessa karakteriseringsförhållanden, vilket eliminerar behovet av en ytterligare elektrolyt10. Liknande UCNC-diametrar kan genereras från storskaliga eller småskaliga protokoll; representativa spår från en skanning presenteras i figur 2C. På grund av brownsk rörelse och den matematiska anpassningsprocessen till Stokes-Einstein-ekvationen är många skanningar i genomsnitt tillsammans för att bestämma de genomsnittliga hydrodynamiska diametrarna17. De genomsnittliga hydrodynamiska diametrarna för de prover som visas i figur 2C är ~75 nm för den stora satsen (polydispersitet, PDI: 0,21) och ~66 nm (PDI: 0,15) för den lilla sats som presenteras. Denna variation i hydrodynamisk diameter är typisk från sats till sats, oavsett reaktionsskala.
Slutligen är optisk karakterisering avgörande för att bedöma integriteten hos kiseldioxidskalinkapslingen (figur 2D). Här återfanns ett prov av supernatanten efter att den första centrifugen spädts ut med 10x i deoxygenerad aceton i handskfacket. Provet späddes ut i aceton för att testa UCNC: s strukturella integritet. I figur 2D är antracenuppkonverteringsemissionen tydligt närvarande vid bestrålning med en 635 nm laser, vilket betyder att det genomsnittliga kiseldioxidskalet förblir intakt. Om kiseldioxidskalen är för tunna är den ljusa uppkonversionen extremt låg vid bestrålning med en 635 nm laser. Detta beror på att uppkonversionsinnehållet löses upp och späds ut i aceton till en koncentration som är för låg för att generera ljus uppkonverterad emission10.
Figur 1: En tecknad skildring av den syntetiska processen för uppkonvertering nanokapsel i liten och stor skala. Denna siffra skapades med Biorender.com. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Representativ nanokapselkarakterisering med mikroskopi och spektroskopi . (A) UCNCs SEM visar skalan och enhetligheten hos uppkonversionsnanokapselsyntesen. Skalstreck = 200 nm. (B) SEM av UCNCs som har smält under ultrahögt vakuum under loppet av ~ 30 min. SEM-prover framställdes genom droppgjutningslösningar av UCNC i avjoniserat ultrarent vatten. Skalstreck = 20 μm. (C) Representativa DLS-spår av nanokapslar för uppkonversion som framställts i liten och stor skala. UCNC späddes ut i avjoniserat ultrarent vatten. (D) Uppkonverteringsemissionen av TIPS-an i UCNCs utspädd i aceton genererades vid bestrålning med en 635 nm laser vid ~ 65 W cm-2. Denna ljusa uppkonversion betyder att kiseldioxidskalen är tillräckligt tjocka för att förhindra att nanokapselinnehållet rinner ut. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Det finns flera överväganden när man förbereder ljusa uppkonverterande nanokapslar. Först avslutas syntesen i en handskfack eftersom uppomvandlingsmaterialen måste skyddas från syre - det är väl etablerat att uppkonverterad ljuseffekt reduceras i närvaro av syre13,14,15,16. Dessutom bör sensibiliseraren och annihilator-lagerlösningarna beredas färska för varje sats. PdTPTBP och andra metalliserade porfyriner har visat sig demetalera i omgivande belysning i närvaro av syra18, och antracener är kända för att aggregera över tid19. Dessa effekter kan minimeras genom att förbereda nya lösningar under röd belysning för varje syntes. Författarna noterar att rigorös röd belysning inte längre krävs när det metalliserade porfyrinet och antracen blandas, och omgivande belysning är acceptabel att använda efter detta steg. Slutligen, för storskalig syntes, rekommenderas att minst 1,75 ml av den uppkonverterande stamlösningen framställs, eftersom tillsats av mindre än 1,45 ml av denna lösning för att göra UCNC kommer att förändra proportionerna av alla andra erforderliga reagenser samt den koncentrationsberoende nanodroppbildningen. På samma sätt rekommenderas för den småskaliga syntesen att 250 μl av den uppkonverterande stamlösningen framställs i samma proportioner. Slutligen, när du använder en mikropipett för att dosera oljesyrabuljonglösningarna, släpp långsamt kolven och vänta tills den stiger helt för att dispensera önskad volym. Oljesyran fyller långsamt pipettspetsen på grund av dess höga viskositet och det är lätt att oavsiktligt dispensera mindre lösning än förväntat.
Det är viktigt att förstå att oljesyrananodroppgenereringen är känslig för blandningstid, hastighet och signifikanta temperaturförändringar. Till exempel är mixervalet betydande och kan påverka bildandet av oljesyrananodroppar. Flera mixermärken testades i de inledande utvecklingsstadierna. Den mixer som rekommenderas i materialförteckningen ledde till generering av relativt överlägsna och reproducerbara nanokapslar som beskrivs i detta protokoll. I synnerhet ökar kraftfull blandning emulsionens temperatur och minskar oljesyrananodroppbildningseffektiviteten. Blanderbladen måste vara helt nedsänkta i vatten för att bäst kontrollera temperaturen, vilket var en faktor för att bestämma den erforderliga vattenvolymen som presenteras här10. Dessutom minskar kylning av vattnet i förväg droppaggregering i emulsionen, vilket i slutändan förbättrar nanokapselutbytet för storskalig syntes. Å andra sidan, för den småskaliga syntesen, förändrar kylning av vattnet inte signifikant den oljeiska nanodroppbildningen, förmodligen för att hålla 40 ml injektionsflaskan inte ökar vattnets temperatur lika mycket som mixerbladen.
APTES-tillsatsen är ett betydande syntetiskt steg, eftersom APTES stabiliserar oljesyrananodropparna som genereras genom blandning eller virvel. Den initiala nanodropletemulsionen är en grumlig, grumlig dispersion. Vid tillsats av APTES blir lösningen klar och transparent när nanodropparna stabiliseras. I genomsnitt ligger de APTES-volymer som krävs mycket nära det som presenteras i protokollet, men ibland krävs något mindre eller något mer APTES för att lösningen ska bli tydlig. Således bör APTES-tillägget behandlas på ett analogt sätt som att genomföra andra titreringar20. Att lägga till för mycket APTES (dvs. bortom en "bara klar" lösning) kommer att störa nanokapselskalbildning och minska utbytet. För detta ändamål, om signifikant olika volymer av APTES krävs för att producera en tydlig suspension, eller om en tydlig suspension aldrig uppnås, indikerar detta att felsökning krävs för att optimera oljesyrananodroppbildningen. Till exempel, om nanodroppgenereringen är ineffektiv, kommer droppvolymen och därmed ytan på nanodroppen att vara större än förväntat och kan kräva mer APTES. Detta har observerats i den småskaliga syntesen och kan åtgärdas på en mängd olika sätt, såsom kraften som används för att hålla en injektionsflaska mot virvelblandaren eller genom att öka virveltiden.
Dessutom måste 10K MPEG-silan tillsättas omedelbart efter APTES för att förhindra aggregering och kan inte utelämnas10. Utan tillsats av 10K MPEG-silan observeras irreversibel aggregering inom ~ 30 min i form av fällningsgenerering. Även om 5K MPEG-silan kan ersättas med 10K MPEG-silan, förhindrar MPEG-silaner med lägre molekylvikt inte tillräckligt aggregering vid en konstant koncentration.
Kiseldioxidskalbildningen är nyckeln till att ge UCNC-hållbarhet när den sprids i olika lösningar. Medan kiseldioxidskaltillväxt i allmänhet är väl studerad 21,22,23, används den ofta använda21-syra- eller baskatalysen för att främja kiseldioxidtillväxt inte här, eftersom uppvärmningen är tillräcklig för att generera ett hållbart, tvärbundet kiseldioxidskal. För att övervaka bildandet av kiseldioxidskal över tid bör ljus uppkonversion observeras efter 100x utspädning av en nanokapselreaktionsalicitet i ett organiskt lösningsmedel, såsom aceton, med minimal sensibiliserande fosforescens för PdTPTBP/TIPS-an-systemet (figur 2D och referens10). Vanligtvis är ljus uppkonvertering observerbar efter cirka 24 timmar, men 48 h kommer att öka det relativa utsläppet, vilket innebär att en större population av UCNC: erna har ett hållbart skal. Observera att UC-utsläppet är beroende av bestrålningseffekten och tillräcklig effekttäthet bör användas. Till exempel, i det system som beskrivs här, krävs effekttätheter i storleksordningen ~ 65 W cm-2 för att se ljus uppkonverterad PL.
Den andra tillsatsen av 10K MPEG-silan efter 40 timmars kiseldioxidtillväxt förbättrar nanokapseldispergerbarheten i organiska lösningsmedel. Medan UCNC: erna fortfarande kommer att vara dispergerbara i flera lösningsmedel utan denna andra 10K MPEG-silantillsats, rekommenderas den andra tillsatsen starkt för att öka UCNC-belastningarna med massa i lösning. Till exempel, för användning i ett 3D-utskriftsharts, dispergerades 0,67 g ml-1 nanokapselpasta i akrylsyra10.
Att utsätta UCNC: erna för syre under hela den flera dagars tillverkningsprocessen resulterar i att syre tränger in i koncentrationer som avsevärt minskar uppkonversionsfotoluminescensen. För att säkerställa att en inert atmosfär upprätthålls under 48 timmars omrörning i en omgivande atmosfär åberopas olika protokoll beroende på reaktionsskalan. I stora skalor kan etanolen som genereras under kiseldioxidtillväxt producera betydande tryck som kan leda till avlägsnande av en anbringad septum eller förlust av reaktionskärlets strukturella integritet24. Således bör 500 ml kolv anslutas till en Schlenk-ledning för att möjliggöra en tryckavgivning i en inert atmosfär. Vid små skalor bibehålls tätningen av en 40 ml glasflaska med tätningsfilm eller elektrisk tejp tätningens strukturella integritet. Utan att försegla injektionsflaskans lock kommer tryckökningen långsamt att lossa locket och möjliggöra inträngning av syre.
Reaktionsreningen genom centrifugering separerar UCNC från andra oönskade sidoprodukter. Flera centrifugmärken och rotorer är kompatibla med denna rening om g-kraften som anges i protokollet är tillgänglig. G-kraften kan omvandlas till rotationer per minut baserat på centrifugrotorns dimensioner25. Att utsätta UCNC för en omgivande atmosfär kort under centrifugering är acceptabelt så länge de lagras i en inert atmosfär efter rening. En begränsning med denna syntes är att atomutbytet är svårt att kvantifiera i förhållande till de ingående kemikalierna. Efter centrifugering bör denna storskaliga nanokapselsyntes ge ungefär 10 g pasta och den småskaliga syntesen bör ge ungefär 1,0 g kapselpasta. Det är oklart hur mycket av TEOS som ingår i tillverkningen av UCNC-skalet. Pelleten som kasseras efter den första centrifugeringen består av kiseldioxid med stor molekylvikt som inte ingår i UCNC: erna. Efter den andra centrifugeringen kan supernatanten centrifugeras igen för att öka den uppsamlade massan. Det rekommenderas inte att öka centrifugeringstiden över 16 timmar, eftersom den mjuka kapselpastan stelnar till en kompakt film som inte kan dispergeras i andra lösningsmedel. Ändå är kapselpastamassorna som samlats in från sats till sats konsekventa och är tillräckliga för efterföljande användning och karakterisering.
UCNC-hållbarheten kan variera från lösningsmedel till lösningsmedel samt med lagringsförhållanden. Medan UCNC-pastan som samlas in genom centrifugering är oanvändbar efter 48 timmar när vatten avdunstar, är nanokapslarna hållbara i en mängd olika lösningsmedel. I vatten är UCNC-hållbarheten i storleksordningen flera månader. I akrylsyra reduceras hållbarheten till dagar främst för att akrylsyralösningsmedlet är instabilt och kan genomgå polymerisation när det förvaras under syrefria förhållanden10,26. Ytterligare lösningsmedelsberoende undersökningar av UCNC:s hållbarhet pågår.
Den småskaliga syntesen är särskilt användbar för relativa jämförelser av uppkonversionsfotoluminescens mellan olika formuleringar. NC-pastan som samlas in efter den andra centrifugeringen bör dispergeras i vatten i koncentration av 100-200 mg ml-1 och spädas i aceton (eller annat lösningsmedel efter önskemål). Minst 25 % av lösningsvolymen måste innehålla vatten (t.ex. 25/75 vatten/aceton v/v) för att hålla NCs suspenderade och förhindra att utfällningar bildas. Jämförelse av den relativa uppkonverteringsemissionen mellan satser krävdes för att bestämma koncentrationerna av sensibiliserare och annihilator i detta protokoll. Kanske kontraintuitivt kanske förhållandet mellan sensibiliserare och annihilator som krävs för att maximera ljuseffekten i UC-nanokapslar för 3D-utskrift inte motsvarar förhållandet som maximerar UC-kvantutbytet27 i oljesyrastamlösningar.
Sammanfattningsvis utökas ett detaljerat protokoll och bästa praxis för att syntetisera uppkonverteringsnanokapslar stegför steg 10. Eftersom andra metoder för att kapsla in uppkonverteringsmaterial för användning i verkliga tillämpningar endast är kompatibla med vattenmiljöer16, är denna syntes betydelsefull eftersom den gör det möjligt att distribuera uppkonverteringsmaterial i olika kemiska miljöer, såsom organiska lösningsmedel. Dessa metoder kommer att tjäna till att öka metoderna för att få tillgång till volymetrisk 3D-utskrift för precisionsadditiv tillverkning och i alla applikationer som kräver högenergiljus bortom ytan.
Disclosures
Harvard University har lämnat in flera patent baserat på detta arbete. SNS, RCS och DNC är medgrundare av Quadratic3D, Inc.
Acknowledgments
Finansiering: Denna forskning finansieras genom stöd från Rowland Fellowship vid Rowland Institute vid Harvard University, Harvard PSE Accelerator Fund och Gordon and Betty Moore Foundation. En del av detta arbete utfördes vid Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS), en medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), som stöds av National Science Foundation under NSF, Award No. 1541959. En del av detta arbete utfördes vid Stanford Nano Shared Facilities (SNSF), med stöd av National Science Foundation under utmärkelsen ECCS-2026822. En del av detta arbete utfördes vid Stanford ChEM-H Macromolecular Structure Knowledge Center.
Bekräftelser: THS och SNS erkänner stödet från Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowships. MS erkänner ekonomiskt stöd genom ett Doc. Mobility Fellowship från Swiss National Science Foundation (Projekt nr. P1SKP2 187676). PN erkänner stödet från ett Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) som Gabilan Fellow. MH stöddes delvis av Defense Advanced Research Projects Agency under bidrag nr. HR00112220010. AOG erkänner stödet från ett National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant DGE-1656518 och ett Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF) som Scott A. och Geraldine D. Macomber Fellow.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals | |||
| (3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous | Acros Organic/Fisher Scientific | AC430941000 | |
| 10K MPEG-Silane | Nanosoft Polymers | 2526 | |
| Oleic acid (99%) | Beantown Chemical | 126125 | |
| Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP) | Frontier Scientific | 41217 | |
| tetraethyl orthosilicate, anhydrous | Millipore Sigma | 86578 | |
| TIPS-Anthracene | Millipore Sigma | 731439 | |
| Representative Ultracentrifuge for Nanocapsule Purification | While a smaller centrifuge can be used, the ultracentrifuge is convenient for the 12-14 h centrifugation to isolate upconversion nanocapsule paste. | ||
| 500 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly, 69 x 160 mm - 6Pk | Beckman-Coulter | 355605 | |
| Avanti J-26S XP High-Performance Centrifuge | Beckman-Coulter | Avanti J-26S XP | |
| JA-10 Fixed-Angle Aluminum Rotor- 6 x 500 mL; 10,000 rpm; 17,700 x g | Beckman-Coulter | 369687 | |
| Specialized Fabrication Equipment and Consumable Materials | |||
| 3M 03429NA 051131034297 Scotch Electrical Tape, 3/4-in by 66-ft, Black, 1-Roll, 3/4 Foot | Amazon | ||
| 40 mL scintillation vials (28 mm OD x 95 mm Height, 24-400 thread size) | Fisher Scientific | CG490006 | Small-scale synthesis |
| 500 mL Single Neck RBF, 24/40 Outer Joint | Chemglass | CG-1506-20 | Large-scale synthesis |
| Egg-shaped stir bar for use in a 500 mL round bottom flask (6.35 mm diameter, 16 mm length) | Fisher Scientific | 14-512-122 | Large-scale synthesis |
| Glovebox | Mbraun | LabStar Pro | This is the glovebox used by the authors. However, as long as the oxygen can be maintained at levels below ~10 ppm, any model is acceptable. |
| Magnetic stir plate - inside of glovebox | Any brand | ||
| Magnetic stir plate with temperature control (oil bath or heating blocks) - outside of glovebox | Any brand | ||
| Octagon-shaped stir bar for use in a 40 mL scintillation vial (3 mm diameter, 12 mm length) | VWR | 58947-140 | Small-scale synthesis |
| Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37440 | |
| Precision Seal rubber septa | Millipore Sigma | Z554103-10EA | Large-scale synthesis |
| Vitamix Blender | Vitamix.com | E310 | Large-scale synthesis |
| Vortex Genie 2 | Millipore Sigma | Z258415 | Small-scale synthesis |
| Representative Characterization Instrumentation and Accessories | |||
| Brookhaven Instruments 90Plus Nanoparticle Size Analyzer | Brookhaven Instruments | ||
| M Series 635nm Laser 300-500mW | Dragon Lasers | Incident wavelength for upconversion photoluminescence characterization. The laser should only be used by trained researchers in a dedicated optics space with appropriate safety protocols. The laser should be focused using a lens to increase the incident power density. | |
| P50-1-UV-VIS | Ocean Insight | P50-1-UV-VIS | Patch cord for QE Pro |
| QE Pro Spectrometer | Ocean Insight | QEPRO-VIS-NIR | Spectrometer for collecting upconversion photoluminescence. |
| Supra55VP Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) | Zeiss |
References
- High Resolution SLA and SLS 3D Printers for Professionals. Formlabs. , Available from: https://formlabs.com (2022).
- Zhang, D., Liu, X., Qiu, J. 3D printing of glass by additive manufacturing techniques: a review. Frontiers of Optoelectronics. 14 (3), 263-277 (2021).
- Chen, Z., et al. 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society. 39 (4), 661-687 (2019).
- Zhang, F., et al. A review of 3D printed porous ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 42 (8), 3351-3373 (2022).
- Frazier, W. E. Metal additive manufacturing: A review. Journal of Materials Engineering and Performance. 23 (6), 1917-1928 (2014).
- Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., Mülhaupt, R. Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing. Chemical Reviews. 117 (15), 10212-10290 (2017).
- Bagheri, A., Jin, J. Photopolymerization in 3D printing. ACS Applied Polymer Materials. 1 (4), 593-611 (2019).
- Geng, Q., Wang, D., Chen, P., Chen, S. -C. Ultrafast multi-focus 3-D nano-fabrication based on two-photon polymerization. Nature Communications. 10 (1), 2179 (2019).
- LaFratta, C. N., Li, L. Making two-photon polymerization faster. Three-dimensional Microfabrication using Two-Photon Polymerization. , William Andrew Publishing. 221-241 (2016).
- Sanders, S. N., et al. Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing. Nature. 604 (7906), 474-478 (2022).
- Anscombe, N. Direct laser writing. Nature Photonics. 4 (1), 22-23 (2010).
- Xiong, W., et al. Simultaneous additive and subtractive three-dimensional nanofabrication using integrated two-photon polymerization and multiphoton ablation. Light: Science & Applications. 1 (4), 6 (2012).
- Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. Photon upconversion based on sensitized triplet-triplet annihilation. Coordination Chemistry Reviews. 254 (21), 2560-2573 (2010).
- Rauch, M. P., Knowles, R. R. Applications and prospects for triplet-triplet annihilation photon upconversion. CHIMIA International Journal for Chemistry. 72 (7), 501-507 (2018).
- Seo, S. E., et al. Recent advances in materials for and applications of triplet-triplet annihilation-based upconversion. Journal of Materials Chemistry C. 10 (12), 4483-4496 (2022).
- Ahmad, W., et al. Strategies for combining triplet-triplet annihilation upconversion sensitizers and acceptors in a host matrix. Coordination Chemistry Reviews. , 439-213944 (2021).
- Stetefeld, J., McKenna, S. A., Patel, T. R. Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences. Biophysical Reviews. 8 (4), 409-427 (2016).
- Speckbacher, M., Yu, L., Lindsey, J. S. Formation of porphyrins in the presence of acid-labile metalloporphyrins: A new route to mixed-metal multiporphyrin arrays. Inorganic Chemistry. 42 (14), 4322-4337 (2003).
- Congrave, D. G., et al. Suppressing aggregation induced quenching in anthracene based conjugated polymers. Polymer Chemistry. 12 (12), 1830-1836 (2021).
- Titration: Principles, volumetric analysis | General Chemistry. JoVE. , Available from: https://www.jove.com/v/5699/introduction-to-titration (2022).
- Cushing, B. L., Kolesnichenko, V. L., O'Connor, C. J. Recent advances in the liquid-phase syntheses of inorganic nanoparticles. Chemical Reviews. 104 (9), 3893-3946 (2004).
- Han, L., et al. Anionic surfactants templating route for synthesizing silica hollow spheres with different shell porosity. Solid State Sciences. 13 (4), 721-728 (2011).
- Kwon, O. S., Kim, J. -H., Cho, J. K., Kim, J. -H. Triplet-triplet annihilation upconversion in CdS-decorated SiO2 nanocapsules for sub-bandgap photocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (1), 318-325 (2015).
- Brinker, C. J., Scherer, G. W. Sol-Gel Science: the Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).
- G Force Calculator - RCF to RPM. , Acrylic acid (HSG 104 (2022).
- Acrylic acid (HSG 104, 1997). , Available from: https://inchem.org/documents/hsg/hsg/v104hsg.htm (2022).
- de Mello, J. C., Wittmann, H. F., Friend, R. H. An improved experimental determination of external photoluminescence quantum efficiency. Advanced Materials. 9 (3), 230-232 (1997).
