研究と教育学のための生体分子モデルの3Dプリント

1.印刷用の3Dモデルファイルの準備します注：（1）オンラインNIH 3Dプリント交換機10の自動化ツールを使用して、または（2）局所的に、分子モデリングソフトウェアを使用して：生体分子の3Dモデルファイルは、二つの方法によって生成することができます。自動的に生成されたモデルは、印刷可能な表現を作成するには、このプロトコルで詳述プロセスを使用しますが、表現の詳細は、ユーザが選択することはできません。これとは対照的に、カスタムモデルの生成は、生体分子の視覚特性をユーザが制御することができます。個々の原子、残基、および結合が表示することができ、リボン、債券、ストラットのスケールを指定することができます。 NIH 3Dプリント取引所の自動化ツールとの両方の下のプロトコルはUCSFキメラ、生体分子の3Dファイルの書き出しに適しているフリーでオープンソース分子モデリングソフトウェアパッケージ11を使用します。以下のためのキメラ利用オングストロームによってエクスポートされたすべての3Dファイル距離ユニット。これらのファイルは1ミリメートル/距離単位でスライスソフトウェアにインポートされると、モデルは千万倍の倍率で拡大されます。 自動的にNIHの3D印刷両替3D印刷可能なモデルを生成 注：NIH 3Dプリント取引所は、ステップ1.2から1.3で説明した手順に類似しているキメラスクリプトを実行します。 データベースのいずれかPDB、EMDB、またはPubChem（補足1.1）から印刷する生体分子構造の分子データファイルを探します。目的の生体分子のためのアクセッション番号を記録します。 初めてのユーザーならば、（3dprint.nih.gov）NIH 3Dプリント取引所に移動し、新しいユーザーアカウントを作成します。 、「 クイック送信 」機能にナビゲートし、生体分子のアクコードを入力し、[送信]をクリックします。 生体分子のモデルを生成した後、モデルのページに移動し、 リボン 」での生体分子のSTLファイルをダウンロード」または「 表面 」表現。プロトコルのセクション2に進んでください。 UCSFキマイラでカスタム分子モデルを生成します 注：多くのステップのためのコマンドライン同等物を含む3Dモデルを、作るためのキメラの使用に関するより詳細は、サプリメント1.2に記載されています。 ダウンロードして、UCSFキマイラをインストールする（https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/download.html）。 キメラを使用して、次のいずれかを実行して、分子データファイルを取得します： ツールバーコマンドファイルの使用> IDによって フェッチ 、データベースから直接ファイルを取得するPubchem、PDB、またはEMDBアクコードを入力してください。 ツールバーコマンドファイル]> [開く]を使用して、ローカルの分子データファイルを取得。デフォルトでは、分子は、リガンドのタンパク質や核酸、原子との結合のためのリボンが表示され、浮標付き投げ荷の5オングストローム内の残基D。 お気に入りに行くことによってアクセスさキメラコマンドラインを、使用>コマンドラインは 、Openコマンドを使用して、アクセッションコードを入力してください。 生体分子の3次元表示可能な表現を準備します 注：生体分子構造が表示されたり、表現することができるいくつかの方法があります。印刷用の特定の表現の選択は、生体分子の構造と機能への最大の洞察を提供する最善の方法に基づいて行われるべきです。一般的表現は、「リボン」、「表面」および「原子/結合を含む使用。 "しかし、それは選択した側鎖又はリガンドを表示するには、これらの表現の組み合わせを使用して探索するのが最善です。また、3Dプリント構造が印刷されるのに十分に堅牢でなければならず、取り扱い時に壊れないように。したがって、表現を選択するか、側鎖を表示する際にこれを考慮することが重要です。アルス島O支持構造​​、または導入を検討」ストラットを。」モデルを印刷するときに最後に、すべての機能が正しく印刷されるようにそれを拡張することが重要になります。したがって、より大きな生体分子のために、リボンまたは原子表現に完全に印刷することは、これらを印刷する必要があるはずの規模に実現可能ではないかもしれません。 「リボン」で3Dプリント可能な表現を生成します注：その他の詳細は、サプリメント1.2.1に記載されています。 選択>構造>溶剤を使用することにより、イオンを含んでいる目に見える「 溶媒」を選択します。 アクション>原子/債券>非表示を使用して選択し 、「 溶剤」を非表示にします。 それが正常に印刷できるように、リボンの直径を厚く。 ツール>描写の下にリボンスタイルエディタ]メニューを使用してください。 注：蘇スケーリング]タブの下で 、少なくとも次のように、少なくとも0.7および各設定の幅にすべてのアイテムの高さを変更します：最初の試みのためggestedパラメータコイル 0.7。 らせん 1.4; シート ：1.4; アロー（ベース）：2.1; アロー（先端）0.7。 1.0 核酸 。 核酸が存在する場合は、[アクション]> [原子/債券>ヌクレオチドオブジェクト>設定で基本表現を変えます。はしごする砂糖/ベースディスプレイと0.6ラング半径を変更してください。 オプション：支持構造を導入するために1.3.3に進みます。 分子の3D-印刷可能な「面」表現を生成注：その他の詳細は補足1.2.2で見つけることができます。 以前のすべての表現を非表示にします。 アクション>原子/債券>非表示、およびアクションを使用してください>リボン>隠す。 球として原子をレンダリングする場合、目的の原子（複数可）を選択し、 アクションに行くことによって、半径を調整>メニューを点検します。 注：デフォルトの原子半径を変更すると、それが簡単に印刷されたモデルで異なる原子タイプを区別することができます。 いずれかのリボン>隠す> アクション>原子/債券>非表示とアクションを使用することにより、リボン、原子、債券、pseudobondsを表示非表示にします。 表面詳細が所望される場合、表面の計算がより正確になるように、水素原子を加えます。 [ツール]> [構造の編集> ADDHを使用してください。 コマンドラインでサーフィン＃0グリッド0.5を入力することにより、表面を生成します。 で3Dプリント可能な表現の生成」の原子/結合を。」 注：その他の詳細は補足1.2.3で見つけることができます。 溶剤を非表示にします。つかいます>構造>次に溶媒とアクション>原子/債券>非表示を 選択 します 。 選択し、[アクション]> [原子/債券>ショーでそれらを示すことによって、原子との結合として表現における特定の残基および/またはリガンドを表示します。原子が表現されている方法は、スティック、ボール＆スティック 、または球体を選択して[アクション]> [原子/債券のドロップダウンに変更することができます。 メニューを点検>選択を行った後、スティックやボールの半径を大きくし、 アクションを使った表現を貼り付けます。 オプション：支持構造を導入するために1.3.4に進みます。 3D-印刷可能な表現に構造的なサポートを追加 注：その他の詳細は、サプリメント1.2.4および1.2.5に記載されています。この段階では、ストラットは、3Dモデルに追加することができ。小さなタンパク質（ すなわち、50残基未満）は、多くの場合、典型的な厚さのリボンとして表現されており、このようなサポートなしでうまく印刷することができるが、安定性のための骨格水素結合を含むようにαへリックスとβシート二次構造のために推奨されます。しかし、より大きなタンパク質のために、あっても水素結合を加えて、多くのリボンモデルはまだ正常に印刷するにはあまりにも繊細です。 Strutsは、任意の分子特性を反映するが、このように印刷し、取り扱いを容易、機械的強度に追加していないモデル内の物理的な接続です。キメラは、自動的にコマンドライン経由でストラットコマンドを使用してモデルに支柱を追加する簡単な方法を提供し、個々のストラットは、手動で距離ツールを使用して表示することができます。 丈夫印刷を準備するために水素結合を表示します。メニュー[ツール]> [構造解析> FindHBondを使用してください。 ツールの使用>一般続きrols> PseudoBondパネルは、水素結合を変更します。 「水素結合」pseudobondsを選択し、 属性のボタンをクリックし、「 コンポーネントPseudoBond属性 」チェックボックスをオンにします。下のパネルでは、0.2から0.6に固執し、 半径値するワイヤからボンドのスタイルを変更します。 オプション： ストラットコマンドを使用して、支持構造体（複数可）、または「ストラット」を追加。ノーさらに離れて8オングストロームよりも、すべての70残基の炭素アルファで1.0オングストロームの半径を持つ青ストラットを作成するには、次のコマンドを使用します。@ca長さ8ループ70色青ラド1.0 fattenRibbon偽の支柱 。 オプション：、 距離ツールで、個々のストラットを作成し、それらのそれぞれにシフトCTRLクリックして、2個の原子を選択し、使用ツール>構造解析>距離 、およびpseudobondを追加するために作成する]をクリックします。 NavigatPseudoBondパネルに電子は、「距離モニタ」pseudobondsを選択する属性]ボタンをクリックして、「コンポーネントPseudoBond属性 」チェックボックスをオンにします。下のパネルでは、0.2から0.01に固執し、 半径値するワイヤからボンドのスタイルを変更します。 STL 3Dモデルファイルとしてキメラのレンダリングのエクスポート目的の表現が得られたら、3Dファイルをエクスポートするには、[ファイル]> [エクスポート]シーンを使用します 。ファイルの種類と名前としてSTLを選択して、モデルを保存します。注：このSTLファイルは、修復配向、及びプロトコルのセクション2で説明したように印刷することができます。 印刷用2.プロセスのSTLファイル オートデスクNetfabbと修理STLファイル 注：それはInteに持つ複数のオーバーラップする部分を含んでいる場合に、モデルは、修理が必要な場合があり一般的にリボンモデルと原子モデルの場合のジオメトリを、rsecting。ファイルは、いくつかのスライスソフトウェアによって読み取られたときに、交差領域がモデルの外部と解釈することができるようにオーバーラップ形状は、エラーを引き起こす可能性があります。より詳しくは、サプリメント2.1に記載されています。 ソフトウェアの標準バージョンをダウンロードしてインストールします。 プログラムを開いて、修復されるSTLファイルをインポートします。メッシュに問題がある場合、警告記号が表示されます。 使用エクストラ>自動パート修復 、 拡張修復を選択し、ファイルが処理されている間待ちます。小さなモデルのために、これは秒かかりますが、大規模モデルのために、それは数分かかる場合があります。 モデルを右クリックし、STLとしてエクスポートパート>を選択または修復モデルを保存するためにSTLとしてプロジェクト>プロジェクトのエクスポートを使用します。プログラムはに「 修理 」を追加しますファイル名は、元のファイルと区別します。 オートデスクMeshmixerで印刷するためのオリエントモデル 注：前のスライスのモデルの最適な向きは、オーバーハングの数、従って、印刷プロセス中に必要な支持体の数を減少させます。最適指向モデルは、より高速な印刷少ない材料を使用し、印刷時に失敗する可能性が低くなります。より詳しくは、サプリメント2.2に記載されています。 ソフトウェアをダウンロードしてインストールプログラムに修理STLファイルをインポートします。 分析>オリエンテーションを選択します 。 0に、0に、100にサポートエリア重量を支える巻重量値を強度重量値を調整し、モデルを更新。これは、突出部の数を最小限にするために、モデルを回転させます。結果の向きを受け入れます。 ファイル]> [エクスポート]を使用して、ドロップダウンメニューからバイナリSTLファイルを選択します。ファイルを保存します。 3.スライスと印刷 フィラメント材料を選択 注：印刷設定が選択された材料のために異なるであろうとして、印刷材料の選択は、スライスソフトウェアを使用する前に行う必要があります。広く使用されている3つの材料は、ポリ乳酸（PLA）、熱可塑性エラストマー（TPE）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）です。それはすぐに冷えるとPLAは、一般的に詳細な分子モデルを印刷するための最も効果的な材料である、ビルドプレートによく付着し、まれに反っていません。 TPEは、PLAと同様の材料であり、柔軟なモデルを生成することができます。これは、補完的なタンパク質表面モデルまたはタンパク質のリボンモデルをお勧めします。 ABSは、PLAより強く、より柔軟ですが、12を印刷している間、それは潜在的に危険な微粒子を生成します。これは、一般的にレが高い材料温度の結果として、分子モデルを印刷するにはお勧めしません小さな特徴の正確な生産をね。より詳しくは、サプリメント3.1に記載されています。 ポリ乳酸（PLA）を使用したプリント。 210°Cにノズル温度を設定します。ベッドに部品の接着を確実にするために、70℃に床の温度を設定します。非加熱のベッドを使用している場合は、画家のテープでそれをカバーしています。能動的な冷却を使用してください。 熱可塑性エラストマー（TPE）での印刷手順を繰り返し3.1.1.1。 1200ミリメートル/ min以下に印刷速度を設定します。 アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）で印刷冷却を使用しないでください。 240℃にノズル温度を設定します。ベッドに部品の接着を確実にするために、110°Cに床の温度を設定します。 Gコードを生成します 注：モデルは、デフォルトでは千万倍の倍率でインポートされます。リボンモデルを20万回（200％）以上にスケーリングする必要があります。サーフェスモデルPR100％またはそれ以上でもint型。より詳しくは、サプリメント3.2に記載されています。 ダウンロードして印刷スライスソフトウェアをインストールします。 [ファイル]> [インポートモデルを使用して修復し、指向のSTLファイルを選択します。 モデルをダブルクリックし、画面の右側のウィンドウで倍率を入力してモデルを拡大縮小。 モデルのための支持構造を生成します。サポートのアイコンを選択して、1の柱の解像度と50°の最大張り出し角度で、通常のサポートを使用します。 すべてのサポートを生成]をクリックします。支持構造体を追加または削除サポートの配置をカスタマイズする機能。 プロセスを選択し、 編集処理の設定 ] をクリックします。 使用されているプリンタと材料のプロファイルを設定します。 注：いかだやつばが含まれるべきである、とリボンモデルが100％のインフィルで印刷する必要があります。詳細なプロファイル設定がsupplemeで見つけることができますNT 3.2。 プリンタによって読み取ることができるGコードファイルにモデルを変換します。ボタンを、プリンタ/材料のプロファイルを含むプロセスを選択し、「 印刷するための準備 」をクリックします。プリンタのノズルのパスを確認し、印刷が失敗する可能性があり、エラーのためにそれを点検。 注：印刷が失敗する可能性がありますエラーは、印刷するにはあまりにも薄いオーバーハングの下で​​サポートし、望ましくない空洞、欠落している層、または領域が存在しないことがあります。 デスクトップに直接SDカードにGコードファイルを保存します。 プリンタを操作します 注：各プリンタメーカーやモデルが一意であり、印刷のためのその調製およびキャリブレーションは、それに応じて変化します。プリンタのマニュアルを参照してください。 ワークステーションがプリンタに接続されているかGCODEとSDカードがプリンタであることをことを確認してください。 フィラメントをロードし、ベッドがレベルであることを保証することにより、プリンタを準備します。これらの手順の手順については、プリンタのマニュアルを参照してください。 プリンタのメニューを介してコンピュータから、またはローカルでSDカードから印刷を開始します。 第1の層が正常に完了するまで印刷をご覧ください。第一層にエラーがある場合は、中止し、印刷を再開します。 4.ポストプロダクション処理注：もちろんのケアこの時に注意する必要があり、最終ステージ。モデル上の支持構造を削除する必要があります。このような溶解性支持体の使用などの代替的なアプローチが、使用され得るが、これは一般に、手作業で行われます。サプリメント4を参照してください。 静かに横に引いて、ビルドプレートから印刷を外します。いかだは、ビルドプレートに強固に付着した場合、それらの間の鋭いエッジを挿入することによってそれを分けます。 モデルから支持構造を削除します。多くの支持体が部分とRAのオフにそれらを破壊することにより、手作業で除去することができますフィート柔軟なモデルが部分からそれらを離れて引っ張ることにより取り外すことができます。到達することが困難であるか、繊細な構造に接続され、支持体が部品に接続点をクリップするペンチ切断使用をサポートするため。