Summary

3D-печать и модификация поверхности in situ с помощью обратимой полимеризации цепи с фотоинициацией типа I

Published: February 18, 2022
doi:

Summary

Настоящий протокол описывает цифровую 3D-печать полимерных материалов на основе световой обработки с использованием фотоиницируемой обратимой полимеризации цепи добавления-фрагментации типа I и последующей постфункционализации материала in situ посредством поверхностно-опосредованной полимеризации. Фотоиндуцированная 3D-печать обеспечивает материалы с независимо адаптированными и пространственно контролируемыми объемными и межфазными свойствами.

Abstract

3D-печать обеспечивает легкий доступ к геометрически сложным материалам. Однако эти материалы имеют неразрывно связанные объемные и межфазные свойства, зависящие от химического состава смолы. В текущей работе 3D-печатные материалы постфункционализируются с использованием аппаратного обеспечения 3D-принтера с помощью вторичного процесса полимеризации, инициируемого поверхностью, что обеспечивает независимый контроль над объемными и межфазными свойствами материала. Этот процесс начинается с получения жидких смол, которые содержат монофункциональный мономер, сшивающий многофункциональный мономер, фотохимически лабильный вид, который позволяет инициировать полимеризацию, и, что особенно важно, соединение тиокарбонилтио, которое облегчает обратимую полимеризацию цепи добавления-фрагментации (RAFT). Соединение тиокарбонилтио, широко известное как агент RAFT, опосредует процесс полимеризации роста цепи и обеспечивает полимерным материалам более однородные сетевые структуры. Жидкая смола отверждается послойно с использованием коммерчески доступного цифрового 3D-принтера для обработки света для получения трехмерных материалов, имеющих пространственно управляемую геометрию. Исходную смолу удаляют и заменяют новой смесью, содержащей функциональные мономеры и фотоиницирующие виды. Затем 3D-печатный материал подвергается воздействию света от 3D-принтера в присутствии новой функциональной мономерной смеси. Это позволяет происходить фотоиндуцированной поверхностной полимеризации из скрытых групп агентов RAFT на поверхности 3D-печатного материала. Учитывая химическую гибкость обеих смол, этот процесс позволяет производить широкий спектр 3D-печатных материалов с настраиваемыми объемными и межфазными свойствами.

Introduction

Аддитивное производство и 3D-печать произвели революцию в производстве материалов, обеспечив более эффективные и легкие маршруты для изготовления геометрически сложных материалов1. Помимо расширенных свобод проектирования в 3D-печати, эти технологии производят меньше отходов, чем традиционные субтрактивные производственные процессы, благодаря разумному использованию материалов-предшественников в слоеном производственном процессе. С 1980-х годов для изготовления полимерных, металлических и керамических компонентов был разработан широкий спектр различных методов 3D-печати1. Наиболее часто используемые методы включают экструзионную 3D-печать, такую как изготовление плавленой нити и методы прямого написания чернил2, методы спекания, такие как селективное лазерное спекание3, а также методы фотоиндуцированной 3D-печати на основе смолы, такие как лазерная и проекционная стереолитография и методы маскированной цифровой обработки света4 . Среди многих методов 3D-печати, существующих сегодня, методы фотоиндуцированной 3D-печати обеспечивают некоторые преимущества по сравнению с другими методами, включая более высокое разрешение и более высокую скорость печати, а также возможность выполнения затвердевания жидкой смолы при комнатной температуре, что открывает возможность для усовершенствованной 3D-печати биоматериала4,5,6,7,8, См. 9.

Хотя эти преимущества позволили широко распространить 3D-печать во многих областях, ограниченная способность самостоятельно адаптировать свойства 3D-печатного материала ограничивает будущие приложения10. В частности, неспособность легко адаптировать объемные механические свойства независимо от межфазных свойств ограничивает такие применения, как имплантаты, которые требуют тонко подобранных биосовместимых поверхностей и часто сильно отличающихся объемных свойств, а также противообрастающих и антибактериальных поверхностей, сенсорных материалов и других интеллектуальных материалов11,12,13 . Исследователи предложили модификацию поверхности 3D-печатных материалов для преодоления этих проблем, чтобы обеспечить более независимо настраиваемые объемные и межфазные свойства10,14,15.

Недавно наша группа разработала процесс фотоиндуцированной 3D-печати, который использует обратимую полимеризацию цепи добавления-фрагментации (RAFT) для опосредования синтеза сетевых полимеров15,16. Полимеризация RAFT представляет собой тип обратимой деактивационной радикальной полимеризации, который обеспечивает высокую степень контроля над процессом полимеризации и позволяет производить макромолекулярные материалы с тонко настроенными молекулярными массами и топологиями, а также широким химическим охватом17,18,19. Примечательно, что соединения тиокарбонилтио, или агенты RAFT, используемые во время полимеризации RAFT, сохраняются после полимеризации. Таким образом, они могут быть реактивированы для дальнейшего изменения химических и физических свойств макромолекулярного материала. Таким образом, после 3D-печати эти спящие агенты RAFT на поверхностях 3D-печатного материала могут быть реактивированы в присутствии функциональных мономеров для обеспечения индивидуальных поверхностей материала20,21,22,23,24,25,26. Вторичная поверхностная полимеризация диктует межфазные свойства материала и может быть выполнена пространственно контролируемым образом посредством фотохимической инициации.

Настоящий протокол описывает способ 3D-печати полимерных материалов с помощью фотоиндуцированного процесса полимеризации RAFT и последующей модификации поверхности in situ для модуляции межфазных свойств независимо от механических свойств сыпучего материала. По сравнению с предыдущими подходами к 3D-печати и модификации поверхности, текущий протокол не требует дезоксигенации или других строгих условий и, таким образом, очень доступен для неспециалистов. Кроме того, использование оборудования для 3D-печати для выполнения как первоначального изготовления материала, так и постфункционализации поверхности обеспечивает пространственный контроль над свойствами материала и может быть выполнено без утомительного выравнивания нескольких различных фотомаск для создания сложных узоров.

Protocol

1. Подготовка программы 3D-печати и 3D-принтера Разработайте цифровую модель для 3D-печати, выполнив следующие действия. Откройте программу автоматизированного проектирования (см. Таблицу материалов). В плоскости x-y создайте прямоугольник, центрированный…

Representative Results

Общая процедура 3D-печати и функционализации поверхности показана на рисунке 1. В этом протоколе сетевой полимер первоначально синтезируется с помощью фотоиндуцированного процесса полимеризации RAFT15 с использованием 3D-принтера для изготовления объек?…

Discussion

Настоящий протокол демонстрирует процесс 3D-печати полимерных материалов с независимо настраиваемыми объемными и межфазными свойствами. Процедура выполняется двухэтапным методом путем 3D-печати базовой подложки и последующего изменения поверхностного слоя 3D-печатного объекта с…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы признают финансирование со стороны Австралийского исследовательского совета и UNSW Australia через исследовательскую программу Discovery (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

  1. 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).
  2. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16 (17), 2193-2204 (2006).
  3. Kumar, S. Selective laser sintering: A qualitative and objective approach. JOM. 55 (10), 43-47 (2003).
  4. Jung, K., et al. Designing with light: Advanced 2D, 3D, and 4D materials. Advanced Materials. 32 (18), 1903850 (2020).
  5. Lim, K. S., et al. Fundamentals and applications of photo-cross-linking in bioprinting. Chemical Reviews. 120 (19), 10662-10694 (2020).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Zhang, J., Xiao, P. 3D printing of photopolymers. Polymer Chemistry. 9 (13), 1530-1540 (2018).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Yao, X., Song, Y., Jiang, L. Applications of bio-inspired special wettable surfaces. Advanced Materials. 23 (6), 719-734 (2011).
  13. Bose, S., Robertson, S. F., Bandyopadhyay, A. Surface modification of biomaterials and biomedical devices using additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 66, 6-22 (2018).
  14. Wang, X., et al. i3DP, a robust 3D printing approach enabling genetic post-printing surface modification. Chemical Communications. 49 (86), 10064-10066 (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Chiefari, J., et al. Living free-radical polymerization by reversible addition−Fragmentation chain transfer: The RAFT process. Macromolecules. 31 (16), 5559-5562 (1998).
  20. Fromel, M., et al. User-friendly chemical patterning with digital light projection polymer brush photolithography. European Polymer Journal. 158, 110652 (2021).
  21. Fromel, M., Li, M., Pester, C. W. Surface engineering with polymer brush photolithography. Macromolecular Rapid Communications. 41 (18), 2000177 (2020).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. ASTM International. ASTM Standard D638-14: Standard Test method for tensile properties of plastics. ASTM International. , (2014).
  28. 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).
  29. 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).

Play Video

Cite This Article
Corrigan, N., Boyer, C. 3D Printing and In Situ Surface Modification via Type I Photoinitiated Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization. J. Vis. Exp. (180), e63538, doi:10.3791/63538 (2022).

View Video