3D-printen en in-situ oppervlaktemodificatie via type I foto-geïnitieerde omkeerbare toevoeging-fragmentatie chain transfer polymerisatie
Summary
Het huidige protocol beschrijft de digitale lichtverwerking-gebaseerde 3D-printing van polymere materialen met behulp van type I foto-geïnitieerde omkeerbare additie-fragmentatie keten overdracht polymerisatie en de daaropvolgende in situ materiaal post-functionalisatie via oppervlakte-gemedieerde polymerisatie. Foto-geïnduceerd 3D-printen biedt materialen met onafhankelijk op maat gemaakte en ruimtelijk gecontroleerde bulk- en interfaciale eigenschappen.
Abstract
3D-printen biedt gemakkelijke toegang tot geometrisch complexe materialen. Deze materialen hebben echter intrinsiek verbonden bulk- en interfaciale eigenschappen, afhankelijk van de chemische samenstelling van de hars. In het huidige werk worden 3D-geprinte materialen postfunctionaliseerd met behulp van de 3D-printerhardware via een secundair oppervlakte-geïnitieerd polymerisatieproces, waardoor onafhankelijke controle wordt geboden over de bulk- en interfaciale materiaaleigenschappen. Dit proces begint met het bereiden van vloeibare harsen, die een monofunctioneel monomeer bevatten, een crosslinking multifunctioneel monomeer, een fotochemisch labiele soort die het initiëren van polymerisatie mogelijk maakt, en kritisch, een thiocarbonylthio-verbinding die omkeerbare additie-fragmentatie chain transfer (RAFT) polymerisatie vergemakkelijkt. De thiocarbonylthio-verbinding, algemeen bekend als een RAFT-agent, bemiddelt het polymerisatieproces van de ketengroei en biedt polymere materialen meer homogene netwerkstructuren. De vloeibare hars wordt laag voor laag uitgehard met behulp van een in de handel verkrijgbare digitale lichtverwerkings-3D-printer om driedimensionale materialen met ruimtelijk gecontroleerde geometrieën te geven. De oorspronkelijke hars wordt verwijderd en vervangen door een nieuw mengsel met functionele monomeren en foto-initialiserende soorten. Het 3D-geprinte materiaal wordt vervolgens blootgesteld aan licht van de 3D-printer in aanwezigheid van het nieuwe functionele monomeermengsel. Hierdoor kan foto-geïnduceerde oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie plaatsvinden van de latente RAFT-agentgroepen op het oppervlak van het 3D-geprinte materiaal. Gezien de chemische flexibiliteit van beide harsen, maakt dit proces het mogelijk om een breed scala aan 3D-geprinte materialen te produceren met aanpasbare bulk- en interfaciale eigenschappen.
Introduction
Additieve productie en 3D-printen hebben een revolutie teweeggebracht in de materiaalproductie door efficiëntere en gemakkelijkere routes te bieden voor de fabricage van geometrisch complexe materialen1. Afgezien van de verbeterde ontwerpvrijheid in 3D-printen, produceren deze technologieën minder afval dan traditionele subtractieve productieprocessen door het oordeelkundig gebruik van precursormaterialen in een laag-voor-laag productieproces. Sinds de jaren 1980 is een breed scala aan verschillende 3D-printtechnieken ontwikkeld om polymere, metalen en keramische componenten te fabriceren1. De meest gebruikte methoden omvatten extrusie-gebaseerd 3D-printen, zoals gesmolten filamentfabricage en directe inktschrijftechnieken2, sintertechnieken zoals selectieve lasersintering3, evenals op hars gebaseerde foto-geïnduceerde 3D-printtechnieken zoals laser- en projectiegebaseerde stereolithografie en gemaskeerde digitale lichtverwerkingstechnieken4 . Onder de vele 3D-printtechnieken die tegenwoordig bestaan, bieden foto-geïnduceerde 3D-printtechnieken enkele voordelen in vergelijking met andere methoden, waaronder een hogere resolutie en hogere afdruksnelheden, evenals de mogelijkheid om stolling van de vloeibare hars bij kamertemperatuur uit te voeren, wat de mogelijkheid opent voor geavanceerd biomateriaal 3D-printen4,5,6,7,8, 9.
Hoewel deze voordelen de wijdverspreide toepassing van 3D-printen op veel gebieden mogelijk hebben gemaakt, beperkt de beperkte mogelijkheid om de 3D-geprinte materiaaleigenschappen onafhankelijk aan te passen toekomstige toepassingen10. Met name het onvermogen om de bulkmechanische eigenschappen gemakkelijk aan te passen, onafhankelijk van de interfaciale eigenschappen, beperkt toepassingen zoals implantaten, die fijn op maat gemaakte biocompatibele oppervlakken en vaak enorm verschillende bulkeigenschappen vereisen, evenals aangroeiwerende en antibacteriële oppervlakken, sensormaterialen en andere slimme materialen11,12,13 . Onderzoekers hebben oppervlaktemodificatie van 3D-geprinte materialen voorgesteld om deze problemen op te lossen om meer onafhankelijk aanpasbare bulk- en interfaciale eigenschappen te bieden10,14,15.
Onlangs heeft onze groep een foto-geïnduceerd 3D-printproces ontwikkeld dat gebruik maakt van omkeerbare additie-fragmentatie chain transfer (RAFT) polymerisatie om netwerkpolymeersynthese te bemiddelen15,16. RAFT-polymerisatie is een soort omkeerbare deactiveringsradicaalpolymerisatie die een hoge mate van controle over het polymerisatieproces biedt en de productie van macromoleculaire materialen mogelijk maakt met fijn afgestemde molecuulgewichten en topologieën en een breed chemisch bereik17,18,19. Met name de thiocarbonylthio-verbindingen, of RAFT-middelen, die tijdens RAFT-polymerisatie worden gebruikt, blijven behouden na polymerisatie. Ze kunnen dus worden gereactiveerd om de chemische en fysische eigenschappen van het macromoleculaire materiaal verder te wijzigen. Zo kunnen deze slapende RAFT-middelen op de oppervlakken van het 3D-geprinte materiaal na 3D-printen opnieuw worden geactiveerd in de aanwezigheid van functionele monomeren om op maat gemaakte materiaaloppervlakken20,21,22,23,24,25,26 te bieden. De secundaire oppervlaktepolymerisatie dicteert de interfaciale materiaaleigenschappen en kan op een ruimtelijk gecontroleerde manier worden uitgevoerd via fotochemische initiatie.
Het huidige protocol beschrijft een methode voor het 3D-printen van polymere materialen via een foto-geïnduceerd RAFT-polymerisatieproces en de daaropvolgende in situ oppervlaktemodificatie om de interfaciale eigenschappen onafhankelijk van de mechanische eigenschappen van het bulkmateriaal te moduleren. In vergelijking met eerdere 3D-print- en oppervlaktemodificatiebenaderingen vereist het huidige protocol geen deoxygenatie of andere strenge voorwaarden en is het dus zeer toegankelijk voor niet-specialisten. Bovendien biedt het gebruik van 3D-printhardware om zowel de initiële materiaalfabricage als de oppervlaktepost-functionalisatie uit te voeren ruimtelijke controle over de materiaaleigenschappen en kan het worden uitgevoerd zonder de vervelende uitlijning van verschillende fotomaskers om complexe patronen te maken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige protocol demonstreert een proces voor het 3D-printen van polymeermaterialen met onafhankelijk instelbare bulk- en interfaciale eigenschappen. De procedure wordt uitgevoerd via een tweestapsmethode door het basissubstraat te 3D-printen en vervolgens de oppervlaktelaag van het 3D-geprinte object te wijzigen met een andere functionele hars, maar met dezelfde 3D-printhardware. Hoewel de 3D-printers die in dit werk worden gebruikt, zijn ontworpen om crosslinked materialen laag voor laag te printen, kan de…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen financiering van de Australian Research Council en UNSW Australia via het Discovery Research-programma (DP210100094).
Materials
| 1-pyrenemethyl methacrylate | Sigma-Aldrich | 765120 | |
| 2-(n-butylthiocarbonothioylthio) propanoic acid | Boron Molecular | BM1640 | |
| 3D Printer | Photon | Mono S | light intensity at digital mask surface = 0.81 mW cm-2 |
| 3D Printing Slicing Software | Photon | Photon Workshop V2.1.19 | |
| 40 kHz Ultrasonic Bath | Thermoline | UB-410 | |
| Compressed Air | Coregas | 230142 | Tank operating at 130 kPa |
| Computer Assisted Design Program | SpaceClaim | SpaceClaim Design Manager V19.1 | |
| Diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 415952 | |
| Ethanol Undenatured 100% AR | ChemSupply | EL043-2.5L-P | |
| Ethanol Wash bottle | Rowe Scientific | AZLWGF541P | |
| Fluorescence Imager | Bio-Rad | Gel Doc XR+ | Uses a 302 nm gas discharge lamp as emission source |
| Light intensity power meter | Newport | 843-R | |
| Mechanical Tester | Mark–10 | ESM303 | 1 kN force gauge M5–200 |
| Moldable plastic film | Parafilm | PM992 | |
| N,N-dimethlacrylamide | Sigma-Aldrich | 274135 | |
| N,N-Dimethylformamide HPLC | ChemSupply | LC1051-G4L | |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate average Mn 250 | Sigma-Aldrich | 475629 | |
| Post Cure Lamp | Leoway | B0869BY79P | 60 W 405 nm |
| Standards document | ASTM | ASTM Standard D638-14 | |
| Tensile testing machine | Mark-10 | ||
| UV Light | Fisher Scientific | 11-982-30 | 6 W Spectroline E-Series, Gas discharge lamp |
| Vortex Mixer IKA Vortex 3 | LabTek | 3340000I |
References
- 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).
- Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16 (17), 2193-2204 (2006).
- Kumar, S. Selective laser sintering: A qualitative and objective approach. JOM. 55 (10), 43-47 (2003).
- Jung, K., et al. Designing with light: Advanced 2D, 3D, and 4D materials. Advanced Materials. 32 (18), 1903850 (2020).
- Lim, K. S., et al. Fundamentals and applications of photo-cross-linking in bioprinting. Chemical Reviews. 120 (19), 10662-10694 (2020).
- Chen, H., et al. Photoinitiators derived from natural product scaffolds: Monochalcones in three-component photoinitiating systems and their applications in 3D printing. Polymer Chemistry. 11 (28), 4647-4659 (2020).
- Chen, H., et al. Novel D-π-A and A-π-D-π-A three-component photoinitiating systems based on carbazole/triphenylamino based chalcones and application in 3D and 4D printing. Polymer Chemistry. 11 (40), 6512-6528 (2020).
- Zhang, J., Xiao, P. 3D printing of photopolymers. Polymer Chemistry. 9 (13), 1530-1540 (2018).
- Zhu, Y., Ramadani, E., Egap, E. Thiol ligand capped quantum dot as an efficient and oxygen tolerance photoinitiator for aqueous phase radical polymerization and 3D printing under visible light. Polymer Chemistry. 12 (35), 5106-5116 (2021).
- Jiang, P., Ji, Z., Wang, X., Zhou, F. Surface functionalization – a new functional dimension added to 3D printing. Journal of Materials Chemistry C. 8 (36), 12380-12411 (2020).
- Gonzalez, G., Chiappone, A., Dietliker, K., Pirri, C. F., Roppolo, I. Fabrication and functionalization of 3D printed polydimethylsiloxane-based microfluidic devices obtained through digital light processing. Advanced Materials Technologies. 5 (9), 2000374 (2020).
- Yao, X., Song, Y., Jiang, L. Applications of bio-inspired special wettable surfaces. Advanced Materials. 23 (6), 719-734 (2011).
- Bose, S., Robertson, S. F., Bandyopadhyay, A. Surface modification of biomaterials and biomedical devices using additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 66, 6-22 (2018).
- Wang, X., et al. i3DP, a robust 3D printing approach enabling genetic post-printing surface modification. Chemical Communications. 49 (86), 10064-10066 (2013).
- Lee, K., Corrigan, N., Boyer, C. Rapid high-resolution 3D printing and surface functionalization via type I photoinitiated raft polymerization. Angewandte Chemie International Edition. 60 (16), 8839-8850 (2021).
- Zhang, Z., Corrigan, N., Bagheri, A., Jin, J., Boyer, C. A versatile 3D and 4D printing system through photocontrolled raft polymerization. Angewandte Chemie International Edition. 58 (50), 17954-17963 (2019).
- Corrigan, N., et al. Reversible-deactivation radical polymerization (controlled/living radical polymerization): From discovery to materials design and applications. Progress in Polymer Science. 111, 101311 (2020).
- Moad, G., Rizzardo, E., Thang, S. H. Living radical polymerization by the raft process – A third update. Australian Journal of Chemistry. 65 (8), 985-1076 (2012).
- Chiefari, J., et al. Living free-radical polymerization by reversible addition−Fragmentation chain transfer: The RAFT process. Macromolecules. 31 (16), 5559-5562 (1998).
- Fromel, M., et al. User-friendly chemical patterning with digital light projection polymer brush photolithography. European Polymer Journal. 158, 110652 (2021).
- Fromel, M., Li, M., Pester, C. W. Surface engineering with polymer brush photolithography. Macromolecular Rapid Communications. 41 (18), 2000177 (2020).
- Wang, C. -. G., Chen, C., Sakakibara, K., Tsujii, Y., Goto, A. Facile fabrication of concentrated polymer brushes with complex patterning by photocontrolled organocatalyzed living radical polymerization. Angewandte Chemie International Edition. 57 (41), 13504-13508 (2018).
- Zoppe, J. O., et al. Surface-initiated controlled radical polymerization: state-of-the-art, opportunities, and challenges in surface and interface engineering with polymer brushes. Chemical Reviews. 117 (3), 1105 (2017).
- Pester, C. W., et al. Ambiguous antifouling surfaces: Facile synthesis by light-mediated radical polymerization. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 54 (2), 253-262 (2016).
- Poelma, J. E., Fors, B. P., Meyers, G. F., Kramer, J. W., Hawker, C. J. Fabrication of complex three-dimensional polymer brush nanostructures through light-mediated living radical polymerization. Angewandte Chemie International Edition. 52 (27), 6844-6848 (2013).
- Zhu, Y., Egap, E. PET-RAFT polymerization catalyzed by cadmium selenide quantum dots (QDs): Grafting-from QDs photocatalysts to make polymer nanocomposites. Polymer Chemistry. 11 (5), 1018-1024 (2020).
- ASTM International. ASTM Standard D638-14: Standard Test method for tensile properties of plastics. ASTM International. , (2014).
- Moad, G. RAFT (Reversible addition-fragmentation chain transfer) crosslinking (co)polymerization of multi-olefinic monomers to form polymer networks. Polymer International. 64 (1), 15-24 (2015).
- Li, M., et al. SI-PET-RAFT: Surface-initiated photoinduced electron transfer-reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization. ACS Macro Letters. 8 (4), 374-380 (2019).
