Triplet Fusion Upconversion Nanocápsula Síntese
Summary
Este protocolo detalha a síntese de nanocápsulas de upconversion para uso subsequente em resinas fotopolimerizáveis para impressão 3D volumétrica facilitada por upconversion de fusão tripleta.
Abstract
A upconversion de fusão tripla (UC) permite a geração de um fóton de alta energia a partir de dois fótons de entrada de baixa energia. Este processo bem estudado tem implicações significativas para a produção de luz de alta energia além da superfície de um material. No entanto, a implantação de materiais de UC foi bloqueada devido à baixa solubilidade do material, altos requisitos de concentração e sensibilidade ao oxigênio, resultando em redução da saída de luz. Para esse fim, a nanoencapsulação tem sido um motivo popular para contornar esses desafios, mas a durabilidade permaneceu indescritível em solventes orgânicos. Recentemente, uma técnica de nanoencapsulação foi projetada para enfrentar cada um desses desafios, após o que uma nanogota de ácido oleico contendo materiais de conversão ascendente foi encapsulada com uma casca de sílica. Em última análise, essas nanocápsulas (NCs) eram duráveis o suficiente para permitir a impressão volumétrica tridimensional (3D) facilitada pela fusão de tripletos upconversion. Ao encapsular materiais de upconversion com sílica e dispersá-los em uma resina de impressão 3D, a fotopadronização além da superfície da cuba de impressão foi possível. Aqui, protocolos de vídeo para a síntese de NCs de upconversion são apresentados para lotes de pequena e grande escala. Os protocolos descritos servem como ponto de partida para adaptar esse esquema de encapsulamento a vários esquemas de upconversion para uso em aplicações de impressão 3D volumétrica.
Introduction
Afastar-se dos processos de fabricação subtrativos (ou seja, formas complexas feitas pela escultura de blocos de matéria-prima) pode reduzir o desperdício e aumentar as taxas de produção. Assim, muitas indústrias estão se movendo em direção a processos de manufatura aditiva, onde os objetos são construídos camada por camada1 por meio de impressão tridimensional (3D). Muitos estão trabalhando para desenvolver processos de manufatura aditiva para várias classes de materiais (por exemplo, vidro2, cerâmica3,4, metais5 e plásticos 6,7).
Essa cura camada por camada limita a seleção de resina e afeta as propriedades mecânicas da impressão 6,7. Considerando a impressão 3D baseada em luz para a fabricação de plásticos, a impressão baseada em absorção de dois fótons (2PA) se afasta dos processos camada por camada imprimindo volumetricamente8. O processo 2PA requer absorção simultânea de dois fótons para iniciar a polimerização. Isso não apenas aumenta as entradas de energia necessárias, mas também aumenta a complexidade e o custo do sistema de impressão, limitando os tamanhos de impressão à escala mm3 ou menor9.
Recentemente, uma nova metodologia de impressão 3D usando upconversion (UC) de fusão tripleta tornou possível a impressão 3D volumétrica com UC na escala cm3 10. Excitantemente, esse processo requer irradiação de densidade de potência relativamente baixa10 em comparação com a impressão baseada em 2PA 9,11,12. O processo de upconversion converte dois fótons de baixa energia em um fóton de alta energia13, e a luz convertida para cima é absorvida pelo fotoiniciador para iniciar a polimerização. A implantação de materiais UC de fusão tripleta tem sido tradicionalmente desafiadora devido aos altos requisitos de concentração de materiais, baixa solubilidade e sensibilidade ao oxigênio13,14,15. O encapsulamento de materiais de UC usando uma variedade de esquemas de nanopartículas foi bem estudado16, mas fica aquém da durabilidade exigida em solventes orgânicos. O protocolo sintético de nanocápsula de upconversion de ácido oleico revestido de sílica (UCNC) descrito aqui supera esse desafio de durabilidade para dispersão de materiais de UC em uma ampla variedade de solventes orgânicos, incluindo resinas de impressão 3D10. A luz convertida a partir de materiais dentro das nanocápsulas é padronizada em múltiplas dimensões para gerar objetos sólidos livres de estrutura de suporte, o que permite imprimir estruturas de alta resolução com uma resolução tão pequena quanto 50 μm10. Ao remover estruturas de suporte e imprimir em um ambiente livre de oxigênio, novas químicas de resina são acessíveis para alcançar propriedades de materiais melhoradas e novas, inacessíveis com a estereolitografia tradicional.
Aqui, o protocolo sintético UCNC é delineado para encapsular o sensibilizador (paládio (II) meso-tetrafenil tetrabenzoporfina, PdTPTBP) e o aniquilador (9,10-bis((triisopropilsilil)etil)antraceno, TIPS-an) em duas escalas diferentes. A síntese em larga escala fornece material para fornecer ~ 10 g de pasta de nanocápsula de conversão ascendente para uso em resinas de impressão 3D. A síntese em pequena escala de ~1 g de pasta de nanocápsula de conversão ascendente permite a otimização de novos conteúdos de nanocápsulas. Este protocolo suportará a integração bem-sucedida de UCNCs de fusão tripla em uma variedade de fluxos de trabalho de impressão 3D e outras aplicações.
Protocol
Representative Results
Discussion
Existem várias considerações ao preparar nanocápsulas de conversão ascendente brilhante. Primeiro, a síntese é completada em um porta-luvas porque os materiais de conversão ascendente devem ser protegidos do oxigênio – está bem estabelecido que a saída de luz convertida para cima é reduzida na presença de oxigênio13,14,15,16. Além disso, as soluções de estoque do sensibilizador e aniquilador devem ser preparadas frescas para cada lote. Demonstrou-se que o PdTPTBP e outras porfirinas metalizadas se desmetalizam na iluminação ambiente na presença de ácido18, e sabe-se que os antracenos se agregam ao longo do tempo19. Estes efeitos podem ser minimizados através da preparação de novas soluções sob iluminação vermelha para cada síntese. Os autores observam que a iluminação vermelha rigorosa não é mais necessária uma vez que a porfirina metalizada e o antraceno são misturados, e a iluminação ambiente é aceitável para uso após essa etapa. Finalmente, para a síntese em larga escala, recomenda-se que pelo menos 1,75 mL da solução-mãe de conversão ascendente seja preparado, uma vez que a adição de menos de 1,45 mL desta solução para fazer UCNCs alterará as proporções de todos os outros reagentes necessários, bem como a formação de nanogotículas dependentes da concentração. Da mesma forma, para a síntese em pequena escala, recomenda-se que 250 μL da solução-mãe de conversão ascendente sejam preparados nas mesmas proporções. Finalmente, ao usar uma micropipeta para dispensar as soluções-estoque de ácido oleico, solte lentamente o êmbolo e espere que ele suba totalmente para dispensar o volume desejado. O ácido oleico irá encher lentamente a ponta da pipeta devido à sua alta viscosidade e é fácil inadvertidamente dispensar menos solução do que o esperado.
É importante entender que a geração de nanogotículas de ácido oleico é sensível ao tempo de mistura, velocidade e mudanças significativas de temperatura. Por exemplo, a seleção do liquidificador é significativa e pode afetar a formação de nanogotículas de ácido oleico. Várias marcas de liquidificadores foram testadas nos estágios iniciais de desenvolvimento. O liquidificador recomendado na Tabela de Materiais levou à geração de nanocápsulas relativamente superiores e reprodutíveis descritas neste protocolo. Notavelmente, a mistura poderosa aumenta a temperatura da emulsão e reduz a eficiência de formação de nanogotículas de ácido oleico. As lâminas do liquidificador devem estar completamente submersas em água para melhor controlar a temperatura, o que foi uma consideração para determinar o volume de água necessário apresentado aqui10. Além disso, o resfriamento da água com antecedência reduz a agregação de gotículas na emulsão, o que, em última análise, melhora o rendimento da nanocápsula para a síntese em larga escala. Por outro lado, para a síntese em pequena escala, o resfriamento da água não altera significativamente a formação de nanogotículas oleicas, provavelmente porque segurar o frasco de 40 mL não aumenta a temperatura da água tanto quanto as lâminas do liquidificador.
A adição de APTES é um passo sintético significativo, pois o APTES estabiliza as nanogotículas de ácido oleico geradas por mistura ou vórtice. A emulsão inicial de nanogotículas é uma dispersão turva e turva. Após a adição de APTES, a solução torna-se clara e transparente à medida que as nanogotículas são estabilizadas. Em média, os volumes APTES necessários são muito próximos do que é apresentado no protocolo, mas às vezes é necessário um pouco menos ou um pouco mais de APTES para que a solução se torne clara. Assim, a adição de APTES deve ser tratada de forma análoga à realização de outras titulações20. Adicionar muito APTES (ou seja, além de uma solução “apenas clara”) interromperá a formação da camada de nanocápsulas e diminuirá o rendimento. Para esse fim, se volumes significativamente diferentes de APTES forem necessários para produzir uma suspensão clara, ou uma suspensão clara nunca for alcançada, isso indica que a solução de problemas é necessária para otimizar a formação de nanogotículas de ácido oleico. Por exemplo, se a geração de nanogotículas for ineficiente, o volume de gotículas e, portanto, a área de superfície da nanogota serão maiores do que o esperado e podem exigir mais APTES. Isso foi observado na síntese em pequena escala e pode ser remediado de várias maneiras, como a força usada para segurar um frasco contra o misturador de vórtice ou aumentando o tempo de vórtice.
Além disso, o 10K MPEG-silano deve ser adicionado imediatamente após o APTES para evitar a agregação e não pode ser omitido10. Sem a adição de 10K MPEG-silano, a agregação irreversível é observada dentro de ~ 30 min na forma de geração de precipitados. Embora 5K MPEG-silano possa ser substituído por 10K MPEG-silano, MPEG-silanos de menor peso molecular não impedem suficientemente a agregação em uma concentração constante.
A formação da casca de sílica é fundamental para conferir durabilidade à UCNC quando dispersa em várias soluções. Embora o crescimento da casca de sílica seja geralmente bem estudado 21,22,23, a catálise de ácido 21 ou base 21 frequentemente usada para promover o crescimento de sílica não é usada aqui, pois o aquecimento é suficiente para gerar uma casca de sílica durável e reticulada. Para monitorar a formação da casca de sílica ao longo do tempo, a conversão ascendente brilhante deve ser observada após diluição de 100x de uma alíquota de reação de nanocápsula em um solvente orgânico, como a acetona, com fosforescência mínima do sensibilizador para o sistema PdTPTBP/TIPS-an (Figura 2D e referência10). Normalmente, a conversão ascendente brilhante é observável após cerca de 24 h, mas 48 h aumentará a emissão relativa, significando que uma população maior de UCNCs possui uma concha durável. Observe que a emissão de UC depende da potência de irradiação e densidades de potência suficientes devem ser empregadas. Por exemplo, no sistema descrito aqui, densidades de potência da ordem de ~ 65 W cm-2 são necessárias para ver PL brilhante convertido.
A segunda adição de 10K MPEG-silano após 40 h de crescimento de sílica melhora a dispersibilidade das nanocápsulas em solventes orgânicos. Enquanto os UCNCs ainda serão dispersíveis em vários solventes sem esta segunda adição de 10K MPEG-silano, a segunda adição é altamente recomendada para aumentar as cargas UCNC em massa em solução. Por exemplo, para uso em uma resina de impressão 3D, 0,67 g mL-1 de pasta de nanocápsula foi disperso em ácido acrílico10.
A exposição dos UCNCs ao oxigênio durante todo o processo de fabricação de vários dias resulta na entrada de oxigênio em concentrações que reduzem significativamente a fotoluminescência de conversão ascendente. Para garantir que uma atmosfera inerte seja mantida durante as 48 h de agitação em uma atmosfera ambiente, diferentes protocolos são invocados dependendo da escala de reação. Em grandes escalas, o etanol gerado durante o crescimento da sílica pode produzir pressões significativas que podem levar à remoção de um septo afixado ou à perda da integridade estrutural do vaso de reação24. Assim, o balão de 500 mL deve ser conectado a uma linha Schlenk para permitir uma liberação de pressão em uma atmosfera inerte. Em pequenas escalas, a vedação de um frasco de vidro de 40 mL com filme de vedação ou fita adesiva elétrica mantém a integridade estrutural da vedação. Sem selar a tampa do frasco, o aumento da pressão irá lentamente desenrolar a tampa e permitir a entrada de oxigênio.
A purificação da reação por centrifugação separa os UCNCs de outros produtos secundários indesejados. Várias marcas de centrífugas e rotores são compatíveis com essa purificação se a força g fornecida no protocolo estiver acessível. A força g pode ser convertida em rotações por minuto com base nas dimensões do rotor da centrífuga25. Expor os UCNCs a uma atmosfera ambiente brevemente durante a centrifugação é aceitável, desde que sejam armazenados em uma atmosfera inerte após a purificação. Uma limitação dessa síntese é que o rendimento de átomos é difícil de quantificar em relação aos produtos químicos de entrada. Após a centrifugação, esta síntese de nanocápsulas em larga escala deve produzir cerca de 10 g de pasta e a síntese em pequena escala deve produzir aproximadamente 1,0 g de pasta de cápsula. Não está claro quanto do TEOS é incorporado na fabricação do shell UCNC. O pellet descartado após a primeira centrifugação é composto por sílica de grande peso molecular que não é incorporada aos UCNCs. Após a segunda centrifugação, o sobrenadante pode ser centrifugado novamente para aumentar a massa coletada. Não é recomendado aumentar o tempo de centrifugação além de 16 h, pois a pasta de cápsula mole se solidificará em um filme compacto que não pode ser disperso em outros solventes. Mesmo assim, as massas de pasta de cápsula coletadas de lote para lote são consistentes e suficientes para posterior uso e caracterização.
A durabilidade do UCNC pode variar de solvente para solvente, bem como com as condições de armazenamento. Enquanto a pasta UCNC coletada por centrifugação é inutilizável após 48 h à medida que a água evapora, as nanocápsulas são duráveis em uma variedade de solventes. Na água, a durabilidade da UCNC é da ordem de vários meses. No ácido acrílico, a durabilidade é reduzida a dias, principalmente porque o solvente de ácido acrílico é instável e pode sofrer polimerização quando armazenado em condições livres de oxigênio10,26. Outras investigações dependentes de solventes sobre a durabilidade da UCNC estão em andamento.
A síntese em pequena escala é especialmente útil para comparações relativas de fotoluminescência de upconversion entre diferentes formulações. A pasta NC coletada após a segunda centrifugação deve ser dispersa em água na concentração de 100-200 mg mL-1 e diluída em acetona (ou outro solvente, conforme desejado). Um mínimo de 25% do volume da solução deve conter água (por exemplo, 25/75 água/acetona v/v) para manter os NCs suspensos e evitar a formação de precipitados. A comparação da emissão relativa de upconversion entre os lotes foi necessária para determinar as concentrações de sensibilizador e aniquilador neste protocolo. Talvez contraintuitivamente, a proporção de sensibilizador para aniquilador necessária para maximizar a saída de luz em nanocápsulas UC para impressão 3D pode não ser equivalente à proporção que maximiza o rendimento quântico UC27 em soluções de estoque de ácido oleico.
Em conclusão, um protocolo detalhado e as melhores práticas para sintetizar nanocápsulas de upconversion são expandidos passo a passo10. Como outros métodos para encapsular materiais de upconversion para uso em aplicações da vida real só são compatíveis com ambientes aquosos16, essa síntese é significativa porque permite que materiais de upconversion sejam implantados em diversos ambientes químicos, como solventes orgânicos. Esses métodos servirão para aumentar as abordagens de acesso à impressão 3D volumétrica para manufatura aditiva de precisão e em qualquer aplicação que exija luz de alta energia além da superfície.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiamento: Esta pesquisa é financiada através do apoio da Rowland Fellowship no Rowland Institute da Universidade de Harvard, do Harvard PSE Accelerator Fund e da Gordon and Betty Moore Foundation. Uma parte deste trabalho foi realizado no Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS), membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), que é apoiada pela National Science Foundation sob NSF, Prêmio No. 1541959. Uma parte deste trabalho foi realizado no Stanford Nano Shared Facilities (SNSF), apoiado pela National Science Foundation sob o prêmio ECCS-2026822. Uma parte deste trabalho foi realizada no Stanford ChEM-H Macromolecular Structure Knowledge Center.
Agradecimentos: O THS e o SNS reconhecem o apoio das bolsas de pós-doutorado de Arnold O. Beckman. A MS reconhece o apoio financeiro através de uma Bolsa de Mobilidade Documental da Fundação Nacional de Ciência da Suíça (Projeto No. P1SKP2 187676). A PN reconhece o apoio de uma Stanford Graduate Fellowship em Ciência e Engenharia (SGF) como Gabilan Fellow. O MH foi parcialmente apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa sob o Grant No. HR00112220010. A AOG reconhece o apoio de uma Bolsa de Pesquisa de Pós-Graduação da National Science Foundation sob a Concessão DGE-1656518 e uma Bolsa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Stanford (SGF) como bolsista Scott A. e Geraldine D. Macomber.
Materials
| Chemicals | |||
| (3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous | Acros Organic/Fisher Scientific | AC430941000 | |
| 10K MPEG-Silane | Nanosoft Polymers | 2526 | |
| Oleic acid (99%) | Beantown Chemical | 126125 | |
| Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP) | Frontier Scientific | 41217 | |
| tetraethyl orthosilicate, anhydrous | Millipore Sigma | 86578 | |
| TIPS-Anthracene | Millipore Sigma | 731439 | |
| Representative Ultracentrifuge for Nanocapsule Purification | While a smaller centrifuge can be used, the ultracentrifuge is convenient for the 12-14 h centrifugation to isolate upconversion nanocapsule paste. | ||
| 500 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly, 69 x 160 mm – 6Pk | Beckman-Coulter | 355605 | |
| Avanti J-26S XP High-Performance Centrifuge | Beckman-Coulter | Avanti J-26S XP | |
| JA-10 Fixed-Angle Aluminum Rotor- 6 x 500 mL; 10,000 rpm; 17,700 x g | Beckman-Coulter | 369687 | |
| Specialized Fabrication Equipment and Consumable Materials | |||
| 3M 03429NA 051131034297 Scotch Electrical Tape, 3/4-in by 66-ft, Black, 1-Roll, 3/4 Foot | Amazon | ||
| 40 mL scintillation vials (28 mm OD x 95 mm Height, 24-400 thread size) | Fisher Scientific | CG490006 | Small-scale synthesis |
| 500 mL Single Neck RBF, 24/40 Outer Joint | Chemglass | CG-1506-20 | Large-scale synthesis |
| Egg-shaped stir bar for use in a 500 mL round bottom flask (6.35 mm diameter, 16 mm length) | Fisher Scientific | 14-512-122 | Large-scale synthesis |
| Glovebox | Mbraun | LabStar Pro | This is the glovebox used by the authors. However, as long as the oxygen can be maintained at levels below ~10 ppm, any model is acceptable. |
| Magnetic stir plate – inside of glovebox | Any brand | ||
| Magnetic stir plate with temperature control (oil bath or heating blocks) – outside of glovebox | Any brand | ||
| Octagon-shaped stir bar for use in a 40 mL scintillation vial (3 mm diameter, 12 mm length) | VWR | 58947-140 | Small-scale synthesis |
| Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37440 | |
| Precision Seal rubber septa | Millipore Sigma | Z554103-10EA | Large-scale synthesis |
| Vitamix Blender | Vitamix.com | E310 | Large-scale synthesis |
| Vortex Genie 2 | Millipore Sigma | Z258415 | Small-scale synthesis |
| Representative Characterization Instrumentation and Accessories | |||
| Brookhaven Instruments 90Plus Nanoparticle Size Analyzer | Brookhaven Instruments | ||
| M Series 635nm Laser 300-500mW | Dragon Lasers | Incident wavelength for upconversion photoluminescence characterization. The laser should only be used by trained researchers in a dedicated optics space with appropriate safety protocols. The laser should be focused using a lens to increase the incident power density. | |
| P50-1-UV-VIS | Ocean Insight | P50-1-UV-VIS | Patch cord for QE Pro |
| QE Pro Spectrometer | Ocean Insight | QEPRO-VIS-NIR | Spectrometer for collecting upconversion photoluminescence. |
| Supra55VP Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) | Zeiss |
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