生物分子模型的3D打印技术的研究与教学

1.准备3D模型文件进行打印注：（1）在线使用NIH三维打印交换10的自动化工具，或（2）本地使用分子建模软件：生物分子的三维模型文件可以通过两种方法产生。自动生成的模型将使用在这个协议中详述创建打印表示的处理，但表示的细节不能由用户来选择。与此相反，自定义模型生成允许对生物分子的视觉属性的用户控件。单个原子，残基，以及键可以被显示，并且色带，债券的规模，并可以指定支柱。美国国立卫生研究院的3D打印交换的自动化工具和以下两个协议使用奇美拉UCSF一个自由和开放源码的分子建模软件包，11很适合于出口生物分子的3D文件。通过使用奇美拉对埃出口的所有3D文件距离单位。当这些文件被在1毫米/距离单位导入到切片软件，该机型将在1000万次的放大倍率进行缩放。 自动生成与NIH 3D打印交易所3D打印模型 注意：美国国立卫生研究院的3D打印Exchange运行嵌合体的脚本，其类似于步骤1.2-1.3中描述的步骤。 找到生物分子结构的分子数据文件，从数据库，无论是PDB，EMDB或PubChem数据库（补充1.1）打印。记录感兴趣的生物分子的登记号。 如果是第一次用户导航到NIH 3D打印交易所（3dprint.nih.gov），并创建一个新的用户帐户。 导航到“ 快速发布 ”功能，进入生物分子加入代码，并点击提交。 产生的生物分子的模型后，导航到模型页面并下载生物分子STL文件中的“ 丝带“或” 面 “表示。继续执行该协议第2条。 生成具有UCSF嵌合体定制的分子模型 注：使用奇美拉制作的3D模型，包括命令行等效很多步骤的更多细节，可以在补充1.2中找到。 下载并安装UCSF嵌合体（https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html）。 使用奇美拉，通过执行下列操作之一检索分子数据文件： 由ID使用工具栏命令文件>获取 ，输入PubChem数据库，PDB，或加入EMDB代码直接从数据库中检索的文件。 使用工具栏命令文件>打开 ，检索本地分子数据文件;默认情况下，分子将5立杆一个内显示配体蛋白质和核酸，原子彩带和债券，和残留物ð。 使用奇美拉命令行中，通过转至收藏夹访问>命令行 ，使用打开命令，并输入登录码。 准备一个生物分子的三维打印表示 注：有一个生物分子结构可以显示或代表的几种方法。要打印的特定表示的选择应基于如何最好地提供了最大的洞察生物分子结构与功能。常用的表示包括“带”，“面”，和“原子/债券”。不过，最好是使用这些表象的组合，显示选择侧链或配体探索。此外，三维印刷结构应该足够健壮要打印和处理时不会破裂。因此，要考虑这一点是很重要的选择表示或显示侧链时。阿尔斯o考虑引入支撑结构，或者“支柱”。最后，在打印模型时，这将是缩放重要的，以便所有的特征将正确打印。因此，对于较大的生物分子，完全在带或原子表示打印可能不是可行由于在这些需要被印刷的规模。 在“彩带”生成一个3D打印表示注：更多详细信息可在补充1.2.1找到。 选择可见的“ 溶剂 ”，其中包括离子，通过选择>结构>溶剂 。 隐藏选定的“ 溶剂 ”使用操作>原子/债券>隐藏 。 加厚带的直径，以便它可以成功地打印。使用在工具>描写 功能区样式编辑器菜单。 注意：苏ggested参数的初步尝试： 缩放选项卡下 ，更改每一个项目至少0.7以及每个设置的宽度至少有以下的高度 ：0.7 线圈 ; 螺旋 1.4; 表 ：1.4; 箭头（基地）：2.1; 箭头（TIP）0.7; 核酸 1.0。 如果核酸存在，改变与操作>原子/债券>核苷酸对象>设置的基本表示。改变糖/碱显示器梯子梯级半径0.6。 可选：继续执行步骤1.3.3引进的支撑结构。 产生的分子的三维打印“的表面”表示注：更多详细信息可在补充1.2.2找到。 隐藏所有先前的陈述。使用操作>原子/债券>隐藏和 操作>丝带>隐藏。 当渲染原子作为球体，通过选择所需的原子（S）和去操作>检查菜单调节半径。 注：更改默认的原子半径可以更容易地在印刷模式区分不同的原子类型。 隐藏任何使用操作>原子/债券>隐藏和行动>丝带>隐藏显示的色带，原子，债券和pseudobonds。 如果表面细节是理想的，添加的氢原子，以使表面的计算更准确。使用工具>结构编辑> ADDH。 产生通过在命令行中输入冲浪＃0电网0.5的表面。 生成一个3D打印表示“原子/债券。” 注：更多详细信息可在补充1.2.3找到。 隐藏溶剂。使用选择>结构>溶剂中 ，然后操作>原子/债券>隐藏 。 通过选择并显示出操作>原子/债券>显示它们显示特定的残留物和/或表示形式原子的配体和债券。原子表示方式可以在操作>原子/债券下拉列表中选择棍，球和棍子 ，或球来改变。 进行选择后，提高棒或球的半径，并与操作棒表示>检查菜单。 可选：继续执行步骤1.3.4引进的支撑结构。 添加结构支撑一个3D打印表示 注：更多详细信息可在补充1.2.4和1.2.5中找到。在此阶段，支柱可以被添加到3D模型。建议用于α-螺旋和β-折叠片的二级结构，以包括稳定骨干氢键，虽然小蛋白质（ 即，少于50个残基）通常表示为具有典型厚度的带状，并且可以打印良好，没有这样的支持。然而，对于较大的蛋白质，即使加入的氢键，许多色带车型仍然过于细腻要成功地打印。支柱是不反映任何分子属性但增加的机械强度，从而有利于印刷和处理模型中的物理连接。奇美提供了一个快速的方法来自动支柱的支柱命令通过命令行添加到模型和个体支柱也可能是使用手动工具的距离显示。 显示氢键准备一个坚固的打印。使用菜单工具>结构分析> FindHBond。 使用工具>常规续ROLS> PseudoBond面板修改氢键。选择“氢键”pseudobonds，点击属性按钮，勾选“ 组件PseudoBond属性 ”对话框。在底部面板，改变从线债券的风格， 坚持从0.2到0.6的半径值。 可选：添加支撑结构（S），或者“支柱”，使用Struts命令。与1.0在每个70个残基的碳阿尔法半径不超过8创建蓝支柱分开，使用命令： 支柱@ca长度8圈70色蓝色弧度1.0 fattenRibbon假的 。 可选：要使用距离工具创建单独的支柱，选择每个人，请使用工具>结构分析>距离由移CTRL单击两个原子，然后单击创建添加pseudobond。 NAVIGAT以e为PseudoBond面板中选择“远程监控”pseudobonds，点击属性按钮，然后选中“组件PseudoBond属性 ”对话框。在底部面板，改变从线债券的风格， 坚持从0.2到0.01的半径值。 导出奇美拉渲染为STL的3D模型文件一旦获得所需的代表性，使用文件>导出场景导出3D文件。 STL选择作为文件类型和名称，并保存模型。注：在协议的第2节这STL文件可以修复，导向，并打印。 2.印刷工艺STL文件 与Autodesk Netfabb修复STL文件 注：模型可能需要维修时，它包含多个重叠的部分与INTErsecting几何形状，其通常是用丝带模型和原子模型的情况。重叠几何当文件被一些切片软件读，因为相交的区域可以解释为模型的外观可能会导致错误。更多详细信息可在补充2.1中找到。 下载并安装该软件的标准版本。 打开程序并导入STL文件进行修复。如果有与该网格的问题，将显示一个警告信号。 使用其他>自动零件修理 ，选择扩展修复 ，然后等待文件处理;对于小机型，这将需要几秒钟，但对于大型模型，可能需要几分钟。 在模型上单击鼠标右键，选择导出部分>由于STL或使用项目>导出工程为STL保存修复模型;该方案将增加“ 修理 ”到文件名从原始文件区分开来。 东方模型与Autodesk Meshmixer打印 注：切片前一模型的最优取向将减少突出端的数量，因此，在印刷过程中需要支撑件的数量。一个最佳化模式将打印速度更快，使用更少的材料，并且不太可能在打印过程中失败。更多详细信息可在补充2.2中找到。 下载并安装软件导入修复STL文件到程序中。 选择分析>方向 。 强度重量值调整为100，支持卷重量值设置为0，支持单位面积质量为0，然后更新模型。这将旋转模型以最小化突出端的数目。接受由此带来的方向。 使用文件>导出 ，然后选择从下拉菜单中的二进制STL文件。保存文件。 3，切片和打印 选择灯丝材料 注意：一打印材料的选择应使用切片软件之前进行，因为打印设置将所选材料不同。被广泛使用的三种材料是聚乳酸（PLA），热塑性弹性体（TPE）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）。 PLA一般是打印详细的分子模型最有效的材料，因为它冷却快，很好地粘附到构建板，很少扭曲。 TPE是类似的材料PLA和可以用来生产柔性的模型。推荐用于补充蛋白质表面模型或蛋白带状模型。 ABS更强，比PLA更灵活，但在打印时12它所产生潜在危险的颗粒。它一般不建议在打印分子模型，为更高的材料的温度会导致LESŞ精确的生产小的特点。更多详细信息可在补充3.1中找到。 与聚乳酸（PLA）打印。 设置喷嘴温度至210℃。为了确保部到床的粘附，设置的床温至70℃。如果使用未加热的床上，用画家的胶带覆盖。使用主动散热。 与热塑性弹性体印刷（TPE） 重复步骤3.1.1.1。打印速度设置到1200毫米/分钟或更小。 与丙烯腈 – 丁二烯 – 苯乙烯印刷（ABS）的不要使用冷却。设置喷嘴温度至240℃。为了确保部到床的粘附，设置的床温至110℃。 生成的G代码 注：该模型将在倍放大倍率由默认为10万元左右进口。带状模型应该缩放至20万次（200％）或更高。表面模型公关在100％或更大诠释好。更多详细信息可在补充3.2中找到。 下载并安装打印软件的切片。 使用文件>导入模型并选择修理和面向STL文件。 比例通过在模型上双击和在屏幕的右手侧上的窗口中输入的比例因子模型。 生成的模型的支持结构。选择支持图标，并使用正常的支持下，为1的支柱分辨率和50°的最大角悬。 点击生成所有支持。添加或删除支撑结构特性来定制的支持位置。 选择一个进程，然后单击编辑流程设置 。 配置为正在使用的打印机和材料的轮廓。 注：木筏和边缘应包括，和带状模式应在100％填充打印。详细介绍设置可以在suppleme找到NT 3.2。 转换模型成可由打印机读取的G代码文件。点击“ 准备打印 ”按钮，选择包含打印机/材料的个人资料的过程。观察打印机喷头的路径，并检查其可能导致打印失败的错误。 注：错误可导致打印失败包括缺乏下悬过于薄打印支架，不希望的空腔，缺失层或区域。 保存G代码文件保存到桌面，或直接到SD卡。 操作打印机 注：每个打印机品牌或型号是独一无二的，它的准备和校准打印将相应变化。请参考手册打印机。 确保工作站连接到打印机或与GCODE SD卡在打印机中。 准备通过加载灯丝，并确保该床是水平的打印机;有关这些过程的说明，请参阅打印机的说明书。 开始从计算机或从本地通过打印机菜单SD卡打印。 观看打印直到第一层已成功完成。如果在第一层的任何错误，中止并重新启动打印。 4.后期制作处理注：当然护理应该在这个取，最后，舞台。应该删除该模型支撑结构。这通常是手动完成的，虽然其他方法，如使用可溶解的支持，可以使用;见补充4。 轻轻侧身拉松脱，从构建盘打印。如果筏牢固地粘附到构建板，通过插入它们之间的尖锐边缘分开吧。 从模型中取出支撑结构。许多载体可用手取出，通过断开它们关闭的部分和岭英尺灵活的模型可以拉动他们的部分离开分离。对于那些难以到达或连接到脆弱的结构，用剪钳夹所在的支持连接到部分点支撑。