הדפסה תלת-ממדית ושינוי פני השטח של סיטו באמצעות סוג I photoinitiated פילמור העברת שרשרת חיבור-פיצול הפיך
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את ההדפסה התלת-ממדית המבוססת על עיבוד אור דיגיטלי של חומרים פולימריים באמצעות פילמור שרשרת חיבור-פיצול הפיך מסוג I פוטוניטיזציה של העברת שרשרת חיבור-פיצול הפיך ואת הבא בתור לאחר הפונקציונליזציה של חומר המקום באמצעות פילמור בתיווך פני השטח. הדפסה בתלת-ממד Photoinduced מספקת חומרים עם תכונות בתפזורת ובאופן רוחבי מותאמות אישית ומבוקרות באופן מרחבי.
Abstract
הדפסה בתלת-ממד מספקת גישה קלה לחומרים מורכבים גיאומטריים. עם זאת, חומרים אלה קשורים באופן מהותי בתפזורת ובתכונות בין-דתיות התלויות בהרכב הכימי של השרף. בעבודה הנוכחית, חומרים מודפסים בתלת-ממד עוברים לאחר פונקציונליזציה באמצעות חומרת המדפסת התלת-ממדית באמצעות תהליך פילמור משני ביוזמת פני השטח, ובכך מספקים שליטה עצמאית על תכונות החומר בתפזורת ובבין-דתיות. תהליך זה מתחיל בהכנת שרפים נוזליים, המכילים מונומר חד-תכליתי, מונומר רב-תכליתי מוצלב, מין רך פוטוכימי המאפשר ייזום של פילמור, ובאופן קריטי, תרכובת תיוקרבונילתיו המאפשרת פילמור שרשרת חיבור-פיצול הפיך (RAFT). תרכובת thiocarbonylthio, הידועה בדרך כלל כסוכן RAFT, מתווכת את תהליך פילמור צמיחת שרשרת ומספקת חומרים פולימריים עם מבני רשת הומוגניים יותר. השרף הנוזלי נרפא באופן של שכבה אחר שכבה באמצעות מדפסת תלת-ממד לעיבוד אור דיגיטלי הזמינה מסחרית כדי להעניק לחומרים תלת-ממדיים בעלי גיאומטריות הנשלטות על ידי מרחבים. השרף הראשוני מוסר ומוחלף בתערובת חדשה המכילה מונומרים פונקציונליים ומינים פוטו-מיניים. החומר המודפס בתלת-ממד נחשף לאחר מכן לאור ממדפסת התלת-ממד בנוכחות תערובת המונומר הפונקציונלית החדשה. זה מאפשר פילמור יזום פני השטח photoinduced להתרחש מקבוצות סוכן RAFT סמוי על פני השטח של החומר המודפס 3D. בהתחשב בגמישות הכימית של שני השרפים, תהליך זה מאפשר מגוון רחב של חומרים מודפסים תלת-ממדיים להיות מיוצרים עם תכונות בתפזורת ובינעירונית הניתנות להתאמה אישית.
Introduction
ייצור תוספים והדפסת תלת-ממד חוללו מהפכה בייצור החומרים על ידי מתן מסלולים יעילים וקלים יותר לייצור חומרים מורכבים גיאומטרית1. מלבד חירויות העיצוב המשופרות בהדפסה בתלת-ממד, טכנולוגיות אלה מייצרות פחות פסולת מתהליכי ייצור תת-פעילות מסורתיים באמצעות שימוש נבון בחומרים מבשרים בתהליך ייצור שכבה אחר שכבה. מאז שנות ה-80 של המאה ה-20 פותח מגוון רחב של טכניקות הדפסה תלת-ממדיות שונות לייצור רכיבים פולימריים, מתכתיים וקרמיים1. השיטות הנפוצות ביותר כוללות הדפסת תלת-ממד מבוססת שחול כגון ייצור חוטים מותך וטכניקות כתיבת דיו ישירות2, טכניקות sintering כגון sintering לייזר סלקטיבי3, כמו גם טכניקות הדפסה תלת-ממדית מבוססות שרף כגון סטריאוליתוגרפיה מבוססת לייזר והקרנה וטכניקות עיבוד אור דיגיטליות מוסוכות4 . בין טכניקות ההדפסה התלת-ממדיות הרבות הקיימות כיום, טכניקות ההדפסה התלת-ממדית המופקות בפוטוינפיה מספקות כמה יתרונות בהשוואה לשיטות אחרות, כולל רזולוציה גבוהה יותר ומהירויות הדפסה גבוהות יותר, כמו גם היכולת לבצע התגבשות של השרף הנוזלי בטמפרטורת החדר, מה שפותח את האפשרות להדפסה תלת-ממדית ביו-חומרית מתקדמת4,5,6,7,8, 9.
בעוד יתרונות אלה אפשרו אימוץ נרחב של הדפסה בתלת-ממד בתחומים רבים, היכולת המוגבלת להתאים באופן עצמאי את מאפייני החומר המודפס בתלת-ממד מגבילה יישומים עתידיים10. בפרט, חוסר היכולת להתאים בקלות את המאפיינים המכניים בתפזורת ללא תלות במאפיינים הבין-משפחתיים מגביל יישומים כגון שתלים, הדורשים משטחים תואמים ביולוגית מותאמים היטב ולעתים קרובות תכונות בתפזורת שונות בהרבה, כמו גם משטחים אנטי-פולשניים ואנטיבקטריאליים, חומרי חיישנים וחומרים חכמים אחרים11,12,13 . חוקרים הציעו שינוי פני השטח של חומרים מודפסים 3D כדי להתגבר על בעיות אלה כדי לספק באופן עצמאי יותר להתאים בתפזורת ותכונות בין-דתיות 10,14,15.
לאחרונה, הקבוצה שלנו פיתחה תהליך הדפסה תלת-ממדית פוטו-מושרה המנצל פילמור שרשרת חיבור-פיצול הפיך (RAFT) כדי לתווך סינתזת פולימר רשת15,16. פילמור RAFT הוא סוג של פילמור רדיקלי נטרול הפיך המספק רמה גבוהה של שליטה על תהליך הפילמור ומאפשר ייצור של חומרים מקרומולקולריים עם משקלים מולקולריים מכווננים היטב וטופולוגיות, והיקף כימי רחב17,18,19. ראוי לציין, תרכובות thiocarbonylthio, או סוכני RAFT, בשימוש במהלך פילמור RAFT נשמרים לאחר פילמור. לכן ניתן להפעיל אותם מחדש כדי לשנות עוד יותר את התכונות הכימיות והפיזיות של החומר המקרומולקולרי. לכן, לאחר הדפסה 3D, אלה סוכני RAFT רדומים על המשטחים של החומר המודפס 3D ניתן להפעיל מחדש בנוכחות מונומרים פונקציונליים כדי לספק משטחי חומר מותאמים20,21,22,23,24,25,26. פילמור פני השטח המשני מכתיב את תכונות החומר הבין-דתי וניתן לבצעו בצורה מבוקרת מרחבית באמצעות ייזום פוטוכימי.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטה להדפסת חומרים פולימריים תלת-ממדיים באמצעות תהליך פילמור RAFT פוטוני המושרה ולאחר מכן שינוי פני השטח במקום כדי לווסת את המאפיינים הבין-דתיים ללא תלות במאפיינים המכניים של החומר בתפזורת. בהשוואה לגישות קודמות של הדפסה בתלת-ממד ולשינוי פני השטח, הפרוטוקול הנוכחי אינו דורש deoxygenation או תנאים מחמירים אחרים ולכן הוא נגיש מאוד עבור אנשים שאינם מומחים. יתר על כן, השימוש בחומרת הדפסה תלת-ממדית לביצוע ייצור החומר הראשוני ופוסט-פונקציונליזציה של פני השטח מספק שליטה מרחבית על תכונות החומר וניתן לבצע זאת ללא יישור מייגע של מספר מסכות צילום שונות כדי ליצור דפוסים מורכבים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנוכחי מדגים תהליך להדפסה תלת-ממדית של חומרים פולימריים בעלי תכונות בתפזורת ובאופן עצמאי. ההליך מתבצע בשיטה דו-שלבית על-ידי הדפסת תלת-ממד של מצע הבסיס ולאחר מכן שינוי שכבת פני השטח של העצם המודפס בתלת-ממד באמצעות שרף פונקציונלי שונה אך באמצעות אותה חומרת הדפסה תלת-ממדית. בע?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים במימון ממועצת המחקר האוסטרלית ומ-UNSW אוסטרליה באמצעות תוכנית מחקר דיסקברי (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).
