מידול פיזי של מערכות מיקרוסקופיים עוזר להשיג תובנות שקשה להשיג באמצעים אחרים. כדי להקל על הבנייה של דגמים מולקולריים פיזיים, אנו מדגימים כיצד הדפסה 3D ניתן להשתמש כדי להרכיב מודלים מאקרוסקופי פונקציונלי ללכוד איכויות של מערכות מולקולריות בצורה מישוש.
עם הצמיחה בנגישות של הדפסה תלת-ממדית, יש יישום הולך וגובר של ועניין בתהליכי ייצור מוספים במעבדות כימיות וחינוך כימי. בנייה על ההיסטוריה הארוכה והמוצלחת של מידול פיזי של מערכות מולקולריות, אנו מציגים דגמים נבחרים יחד עם פרוטוקול כדי להקל על הדפסה תלת-ממדית של מבנים מולקולריים המסוגלים לעשות יותר מאשר לייצג צורה וקישוריות. מודלים שנאספו כמתואר לשלב היבטים דינמיים ודרגות של חופש לתוך מבנים פחמימנים רווי. כדוגמה מייצגת, ציקלוהקטן הורכב מחלקים שהודפסו וסיים באמצעות תרמופלסטים שונים, והדגמים המתקבלים שומרים על הפונקציונליות שלהם במגוון סולמות. המבנים המתקבלים מציגים נגישות מבצעות space העקבית עם חישובים וספרות, וגירסאות של מבנים אלה יכולות לשמש כעזרים להמחשת מושגים שקשה להעביר בדרכים אחרות. תרגיל זה מאפשר לנו להעריך את פרוטוקולי ההדפסה המצליחים, לבצע המלצות מעשיות להרכבה ועקרונות עיצוב מיתאר למודלים פיזיים של מערכות מולקולריות. המבנים, הנהלים והתוצאות המסופקים מספקים בסיס לייצור וחקר בודדים של מבנה מולקולרי ודינמיקה עם הדפסת תלת-ממד.
בניין מבנה מולקולרי כבר זמן רב היבט קריטי עבור גילוי ואימות של ההבנה שלנו של הצורה של אינטראקציה בין מולקולות. מבנה המודל הפיזי היה היבט מוטיבציה בקביעת מבנה α-סליל בחלבונים על ידי פאולינג ואח ‘1, המרכיב העיקרי של מבנים מים2,3, ואת מבנה הסליל כפול של דנ א על ידי ווטסון וקריק4. בחשבון הפרסום של ג’יימס ווטסון על מבנה ה-DNA, הוא מפרט רבים מן המאבקים הניצבים בפני בניין מודל כזה, כגון גלישת חוט נחושת סביב אטומי פחמן מדגם כדי ליצור אטומי זרחן, שתלים עדינים באופן מבסיסי של אטומים, וביצוע מגזרות קרטון של בסיסים תוך המתנה של מגזרות פח מהמכונה. מאבקים כאלה בבניין מודל היו במידה רבה לתקן מידול חישובית הגדלת או לחלוטין לנטיעת גישות פיזיות, אף מודלים פיזיים נשארים היבט חיוני בחינוך כימי וניסויים6,7,8,9.
מאז בסביבות 2010, הדפסה תלת-ממדית ראתה גידול משמעותי באימוץ ככלי לעיצוב יצירתי וייצור. צמיחה זו מונעת על ידי תחרות וזמינות של מגוון של מדפסות התמזגו-מידול (FDM) מודלים מסדרה של חברות חדשות התמקדו מסחור רחב של הטכנולוגיה. עם הנגישות הגוברת, הייתה צמיחה בו ביישום של טכנולוגיות אלה בחינוך כימיה והגדרות מעבדה ניסויית10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. במהלך תקופה זו, הן מסחריים ומאגרים הקהילה הפתוחה עבור דגמי תלת-ממד, כגון הדפסה 3D NIH Exchange22, עשו מערכות מודל עבור הדפסה 3d נגיש יותר, למרות רבים של מודלים אלה נוטים להיות ממורכז על מולקולות היעד הספציפי ולספק מבנים סטטיים פשוטים עם דגש על קישוריות קשר וסוג. קבוצות מולקולריות כלליות יותר של האטום והמולקולרי יכולות לאפשר מבנים יצירתיים יותר12,23, ויש צורך במודלים שיכולים לאפשר יצירת מבנה כללית עם מישוש, דינמי ומשוב רגיש למבנים מולקולריים.
כאן, אנו מציגים מודל מולקולרי מבנה מרכיבים שניתן להדפיס בקלות והתאספו כדי ליצור מודלים מולקולריים דינאמיים של פחמימנים רווי. מבני הרכיב הינם חלק מערכה רחבה יותר שפיתחנו עבור פעילויות הרחבה ופעילות הסיוע עבור המעבדה והאוניברסיטה שלנו. החלקים שסופקו התוכננות להיות מודפס עם מגוון של סוגי פילמנט פולימריים על הסחורה FDM מדפסות תלת-ממד. אנו מציגים את תוצאות המודל באמצעות פולימרים שונים וטכניקות גימור ממדפסות FDM יחיד וכפול. רכיבים אלה מדרגיים ומאפשרים ייצור מודלים מתאימים לחקירה אישית ולהדגמה בהגדרות ההרצאות הגדולות יותר.
המטרה העיקרית של דו ח זה היא לסייע לחוקרים אחרים ומחנכים בתרגום פרטי מבנה כימי וידע בדרכים פיזיות יותר עם הדפסה תלת-ממדית. לשם כך, אנו מדגישים את האפליקציה על ידי הרכבת ותפעול הציקלוקסאן בסולמות שונים. שישה חברים מערכת טבעת הקונמציות הם נושא ליבה של המבוא לכימיה אורגנית קורסים24, והקונמגבנים האלה הם גורם בפעילות מחודשת של טבעת וסוכר מבנים25,26,27. הדגמים המודפסים לאמץ באופן גמיש את הקונמודות מפתח הטבעת24, ואת הכוח הדרוש עבור הטבעת מסלולים interconversion ניתן לחקור ישירות והעריך בצורה ידנית.
המטרה העיקרית של מחקר זה היא לדווח על פרוטוקול לחיקוי של דגמים מולקולריים דינמיים עם מדפסות תלת-ממד הסחורות. מדפסות אלה נגישות יותר ויותר, לעתים קרובות אפילו חופשיות לשימוש בספריות, בבתי ספר ובמקומות אחרים. תחילת התחלת כרוך ביצוע בחירות על שני הדגמים כדי להדפיס את החומרים להשתמש ולהחליט מאפשרויות אלה עשויים לדרוש קצת השראה לגבי מה הייצור תוסף יצירתי יכול לעשות עבור מחקר והדרכה. כדי לטפל בסוגיות אלה, אנו מספקים כמה המלצות חומריות מעשיות, הצעות לחלקי מודל, פרוטוקול הדפסה תלת-ממדי ויישום לדוגמה, שכל אחד מהם מתחייב לדיון נוסף.
ישנן אפשרויות רבות של תרמופלסטיים לשימוש בהדפסת תלת-ממד. אנו להדגיש שלושה בפרוטוקול המוצג כמו שלושת החומרים האלה הם כעת הנפוצים ביותר עבור לעשות זאת בעצמך 3D הדפסה. הבחירה עשויה להיות תלויה בחומר הנתמך על-ידי מדפסת תלת-ממדית זמינה, לדוגמה מתקני גישה פתוחים רבים יודפסו רק עם PLA עקב אילוצים סביבתיים. PLA הוא חומר מתכלה וcompostable שיש לו פרוטוקול הדפסה עם הגדרות טמפרטורה קלה. הן ABS ו PETG הם פחות ידידותיים לסביבה ולא למיחזור בדרך כלל, למרות PETG מבוסס על מאוד פוליאתילן terאפרם למיחזור (PET) ועשוי בסופו של דבר לראות התפשטות רחב יותר לעבד כמו PET. נוהלי הדפסה בת קיימא יהיו כרוכים בהדפסת מספר חלקים בכל פעם כדי להבטיח את איכות ההדפסה ואת הצלחת ההדפסה, זה תוך שימוש כחומר מושלך קטן (מבני תמיכה, רפסודות, מגינים הנוזל, וכו ‘) ככל האפשר. PLA יכול להיות שביר, אז אם זמין, ABS ו-PETG תרמופלטיקה יכול לגרום הדפסים כי הם גמישים יותר מכנית ושיפור הדבקה השכבה, בהתאמה. מאפיינים אלה יכולים להיות רצוי עבור מודל מולקולרי אינטראקטיבי שיראה מניפולציה סדירה בסביבה מעבדה או בכיתה.
הדגמים המוצגים כאן לקחת את השיקולים האלה בחשבון, למרות שהם קודם לכן מהונדסים לעבוד יחד כדי לאפשר בנייה דינמית דגם מולקולרי. בקנה המידה המוגדר כברירת מחדל, הם ירכיבו בהצלחה מבנים מולקולריים אינטראקטיביים. הם יכולים להיות מדורגים עד מודלים גדולים, למרות ההרכבה ידרוש יותר כוח כמו החיבור משתנה קל פחות לעוות בגודל גדול יותר. ב כיווץ הרכיבים, הפחתה של 50% בגודל עדיין תפעל עם שינויים קלים, כגון כיווץ מודל אטום הפחמן ל-48 \ u201249% תוך שמירה על הקשר ואת אטום המימן ב-50% כדי לאפשר חיבורים הדוקים יותר בין חלקים בהדפסת PLA. דגמים קטנים אלה הם עדינים יותר, ולעתים קרובות דורשים מבני רפסודה כדי להדפיס בהצלחה, אבל הם עדיין פונקציונליים כמו מודלים מולקולריים דינאמיים.
חומר תרמופלסטי ודגמים שנבחרו להדפיס הם שני ההיבטים הקריטיים ביותר של פרוטוקול הדפסה תלת-ממדית. תרמופלסטיים שנבחרו יהיה להכתיב את הטמפרטורה, הדבקה, ריפוי, ושיקולים הגמר ואפשרויות. אם למדפסת התלת-ממדית הזמינה אין מיטה מחוממת, PLA הוא היחיד מבין הברירות המוצגות בתרמופלסטיים שיודפסו חלקים. בעוד החלקים שסופקו מיועדים הדפסה מחדש עם תרמוגנטים שונים ולהחזיק עד מניפולציה דינמית, הדפסים לבזות עם שימוש וסדק, לעתים קרובות בין שכבות הדפסה, כאשר ממוקם תחת לחץ גובר. במצבים כאלה, קל וחסכוני יחסית להדפסת חלק חלופי.
הפונקציונליות הדינאמית של הרכבות המולקולריות המודפסות מהמודלים שסופקו מבדילה בין עבודה זו לבין מודלים זמינים אחרים הניתנים להדפסה ותלת-ממדיים, המבליטים בעיקר קישוריות וסוגי מליטה. ההיבטים הדינמיות מוצגים בחלק קטן עם מבנה הציקלוהקאן. הגדרת התצורה של הציקלוקסטן נגישה ישירות באמצעות הדגמים הללו, והטופולוגיות הנופים הללו הן בהסכמה כללית עם חקירות חישוביות. הרבה מזה נובע מתוך כבוד לפרטי הגיאומטריה המולקולרית ודרגות החופש במרכיבי המודלים הפיזיים הללו. בפרשנות של לינוס פאולינג על הצלחתם לגלות את המבנה של α-סליל1, הם טענו כי בני גילם עומדים בפני קשיים הבאים הנחות אינטגראליסטים ואימוץ… רק קירוב מחוספס לדרישות לגבי מרחקים בין-אטומיים, זוויות קשר, והפלגליות של הקבוצה אמיד מעלה, כפי שניתן על ידי החקירות שלנו של חומרים פשוטים יותר. תובנה כמותית יותר לאורך הקווים הללו מחייבת פרטים ספציפיים יותר מאשר השיקולים שננקטו בבניית חלקי מודל אלה, אך מודלים והמלצות אלה מספקים בסיס לחקירה פיזית אינטראקטיבית כללית של מערכות מולקולריות. מודלים אלה הם הרחבה של ערכות מודל 3D להדפסה שאנחנו כבר הפקת עבור פעילויות מחקר וסיוע במשך מספר שנים לפני דו ח זה, וחלקים נוספים רכיבים התואמים הן מודלים אלה ואת הפרוטוקול המתואר זמינים מן המחברים כדי לאפשר הסדרי מליטה מגוונת יותר ופעולה דינמית.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (NSF) תחת גרנט לא. צ’ה-1847583.
ABS: Black 1.75 mm filament spool, 1 kg | MakerBot | MP01969 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
ABS: Dark Gray 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | B07T6W8TRF | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
ABS: White 1.75 mm filament spool, 1 kg | Hatchbox | B00J0H6NNM | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
Crown Acetone, 1 Gallon | Crown | 206539 | Obtained from a hardwares store (Lowes). |
MakerGear M2 | MakerGear | This printer is more costly than inexpensive FDM printers obtainable on Amazon or other sites, but it is engineered for more consistent performance. | |
MakerGear M2 Dual | MakerGear | This model printer is no longer available for purchase. It has been replaced with a new model that has independent dual extruders. | |
Multi-Surface 1.88-in Painters Tape | 3M | 116480 | Obtained from a hardwares store (Lowes). |
PETG: Pink 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company. | |
PETG: White 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company. | |
PLA: Black 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05775 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
PLA: Cool Gray 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05784 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
PLA: White 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05780 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
POLYIMIDE TAPE (2" ROLL) | MakerGear | Provided with the printer from MakerGear, though obtainable from a variety of sources. | |
Simplify3D | Simplify3D | Slicer softward used in prints. This software can be purchased from the company, or it can be purchased from MakerGear and other 3D printer makers. |