3D Baskı ve Tip I Foto-Başlatılmış Geri Dönüşümlü Ekleme-Parçalanma Zinciri Transfer Polimerizasyonu ile In Situ Yüzey Modifikasyonu
Summary
Mevcut protokol, tip I foto-başlatılmış geri dönüşümlü ekleme-parçalanma zinciri transfer polimerizasyonu kullanılarak polimerik malzemelerin dijital ışık işleme tabanlı 3D baskısını ve ardından yüzey aracılı polimerizasyon yoluyla in situ malzeme post-fonksiyonelleştirmesini açıklamaktadır. Fotoindüklenmiş 3D baskı, bağımsız olarak uyarlanmış ve mekansal olarak kontrol edilen toplu ve ara yüz özelliklerine sahip malzemeler sağlar.
Abstract
3D baskı, geometrik olarak karmaşık malzemelere kolay erişim sağlar. Bununla birlikte, bu malzemeler reçinenin kimyasal bileşimine bağlı olarak içsel olarak bağlantılı kütle ve ara yüzey özelliklerine sahiptir. Mevcut çalışmada, 3D baskılı malzemeler, 3D yazıcı donanımı kullanılarak ikincil bir yüzey tarafından başlatılan polimerizasyon işlemi yoluyla işlevselleştirilerek toplu ve ara yüzey malzemesi özellikleri üzerinde bağımsız kontrol sağlanmaktadır. Bu süreç, monofonksiyonel bir monomer, çapraz bağlanan çok işlevli bir monomer, polimerizasyonun başlatılmasını sağlayan fotokimyasal olarak kararsız bir tür ve kritik olarak, geri dönüşümlü ekleme-parçalanma zinciri transferini (RAFT) polimerizasyonunu kolaylaştıran bir tiyokarboniltiyo bileşiği içeren sıvı reçinelerin hazırlanmasıyla başlar. Genellikle bir RAFT ajanı olarak bilinen tiyokarboniltiyo bileşiği, zincir büyüme polimerizasyon işlemine aracılık eder ve polimerik malzemelere daha homojen ağ yapıları sağlar. Sıvı reçine, mekansal olarak kontrol edilen geometrilere sahip üç boyutlu malzemeler vermek için ticari olarak temin edilebilen bir dijital ışık işleme 3D yazıcı kullanılarak katman katman kürlenir. İlk reçine çıkarılır ve fonksiyonel monomerler ve fotobaşlatıcı türler içeren yeni bir karışımla değiştirilir. 3D baskılı malzeme daha sonra yeni fonksiyonel monomer karışımının varlığında 3D yazıcıdan gelen ışığa maruz bırakılır. Bu, fotoindüklenmiş yüzey tarafından başlatılan polimerizasyonun, 3D baskılı malzemenin yüzeyindeki gizli RAFT ajan gruplarından meydana gelmesini sağlar. Her iki reçinenin kimyasal esnekliği göz önüne alındığında, bu işlem uyarlanabilir dökme ve ara yüzey özelliklerine sahip çok çeşitli 3D baskılı malzemelerin üretilmesine izin verir.
Introduction
Eklemeli üretim ve 3D baskı, geometrik olarak karmaşık malzemelerin üretimi için daha verimli ve kolay yollar sağlayarak malzeme üretiminde devrim yarattı1. 3D baskıdaki gelişmiş tasarım özgürlüklerinin yanı sıra, bu teknolojiler, katman katman üretim sürecinde öncü malzemelerin akıllıca kullanılması yoluyla geleneksel çıkarma üretim süreçlerinden daha az atık üretir. 1980’lerden bu yana, polimerik, metal ve seramik bileşenleri üretmek için çok çeşitli farklı 3D baskı teknikleri geliştirilmiştir1. En yaygın kullanılan yöntemler arasında kaynaşmış filament üretimi ve doğrudan mürekkep yazma teknikleri2 gibi ekstrüzyon tabanlı 3D baskı, seçici lazer sinterleme gibi sinterleme teknikleri3 ve lazer ve projeksiyon tabanlı stereolitografi ve maskeli dijital ışık işleme teknikleri gibi reçine bazlı fotoindüklü 3D baskı teknikleri yer almaktadır4 . Günümüzde var olan birçok 3D baskı tekniği arasında, fotoindüklenmiş 3D baskı teknikleri, daha yüksek çözünürlük ve daha hızlı baskı hızlarının yanı sıra, sıvı reçinenin oda sıcaklığında katılaşmasını gerçekleştirme yeteneği de dahil olmak üzere diğer yöntemlere kıyasla bazı avantajlar sağlar, bu da gelişmiş biyomalzeme 3D baskı olasılığını açar4,5,6,7,8, 9.
Bu avantajlar birçok alanda 3D baskının yaygın olarak benimsenmesine izin vermiş olsa da, 3D basılı malzeme özelliklerini bağımsız olarak uyarlama konusundaki sınırlı yetenek, gelecekteki uygulamaları kısıtlamaktadır10. Özellikle, yığın mekanik özelliklerinin ara yüzey özelliklerinden bağımsız olarak kolayca uyarlanamaması, ince bir şekilde uyarlanmış biyouyumlu yüzeyler ve genellikle çok farklı yığın özelliklerinin yanı sıra kirlenme önleyici ve antibakteriyel yüzeyler, sensör malzemeleri ve diğer akıllı malzemeler gerektiren implantlar gibi uygulamaları sınırlar11,12,13 . Araştırmacılar, daha bağımsız olarak uyarlanabilir kütle ve ara yüzey özellikleri sağlamak için bu sorunların üstesinden gelmek için 3D basılı malzemelerin yüzey modifikasyonunu önerdiler10,14,15.
Son zamanlarda, grubumuz, ağ polimer sentezine aracılık etmek için geri dönüşümlü ekleme-parçalanma zinciri transferi (RAFT) polimerizasyonundan yararlanan fotoindüklenmiş bir 3D baskı işlemi geliştirdi15,16. RAFT polimerizasyonu, polimerizasyon prosesi üzerinde yüksek derecede kontrol sağlayan ve ince ayarlanmış moleküler ağırlıklara ve topolojilere ve geniş kimyasal kapsama sahip makromoleküler malzemelerin üretilmesine izin veren bir tersinir deaktivasyon radikal polimerizasyon türüdür17,18,19. Özellikle, RAFT polimerizasyonu sırasında kullanılan tiyokarboniltiyo bileşikleri veya RAFT ajanları, polimerizasyondan sonra tutulur. Böylece makromoleküler malzemenin kimyasal ve fiziksel özelliklerini daha da değiştirmek için yeniden aktive edilebilirler. Böylece, 3D baskıdan sonra, 3D baskılı malzemenin yüzeylerindeki bu uykuda olan RAFT ajanları, özelleştirilmiş malzeme yüzeyleri sağlamak için fonksiyonel monomerlerin varlığında yeniden etkinleştirilebilir20,21,22,23,24,25,26. İkincil yüzey polimerizasyonu, ara yüzey malzemesi özelliklerini belirler ve fotokimyasal başlatma yoluyla mekansal olarak kontrol edilen bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Mevcut protokol, fotoindüklenmiş bir RAFT polimerizasyon işlemi ve ardından ara yüzey özelliklerini dökme malzeme mekanik özelliklerinden bağımsız olarak modüle etmek için in situ yüzey modifikasyonu yoluyla polimerik malzemelerin 3D baskısı için bir yöntemi açıklamaktadır. Önceki 3D baskı ve yüzey modifikasyonu yaklaşımlarıyla karşılaştırıldığında, mevcut protokol deoksijenasyon veya diğer katı koşullar gerektirmez ve bu nedenle uzman olmayanlar için oldukça erişilebilirdir. Ayrıca, hem ilk malzeme imalatını hem de yüzey sonrası işlevselleştirmeyi gerçekleştirmek için 3D baskı donanımının kullanılması, malzeme özellikleri üzerinde mekansal kontrol sağlar ve karmaşık desenler yapmak için birkaç farklı fotomaskenin sıkıcı hizalaması olmadan gerçekleştirilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mevcut protokol, bağımsız olarak ayarlanabilir kütle ve ara yüzey özelliklerine sahip polimer malzemelerin 3D baskısı için bir süreç göstermektedir. Prosedür, taban alt tabakasını 3D yazdırarak ve daha sonra farklı bir işlevsel reçine kullanarak, ancak aynı 3D baskı donanımını kullanarak 3D yazdırılan nesnenin yüzey katmanını değiştirerek iki adımlı bir yöntemle gerçekleştirilir. Bu çalışmada kullanılan 3D yazıcılar, çapraz bağlı malzemeleri katman katman basmak için…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Avustralya Araştırma Konseyi ve UNSW Avustralya’dan Keşif Araştırma programı (DP210100094) aracılığıyla fon sağladığını kabul etmektedir.
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).
