El modelado físico de sistemas microscópicos ayuda a obtener información difícil de obtener por otros medios. Para facilitar la construcción de modelos moleculares físicos, demostramos cómo se puede utilizar la impresión 3D para ensamblar modelos macroscópicos funcionales que capturan cualidades de los sistemas moleculares de una manera táctil.
Con el crecimiento en la accesibilidad de la impresión 3D, ha habido una creciente aplicación e interés en los procesos de fabricación aditiva en laboratorios químicos y educación química. Basándonos en la larga y exitosa historia del modelado físico de sistemas moleculares, presentamos modelos selectos junto con un protocolo para facilitar la impresión 3D de estructuras moleculares que son capaces de hacer más que representar la forma y la conectividad. Los modelos ensamblados como se describe incorporan aspectos dinámicos y grados de libertad en estructuras de hidrocarburos saturados. Como ejemplo representativo, el ciclohexano se ensambló a partir de piezas impresas y terminadas utilizando diferentes termoplásticos, y los modelos resultantes conservan su funcionalidad en una variedad de escalas. Las estructuras resultantes muestran la accesibilidad del espacio de configuración coherente con los cálculos y la literatura, y las versiones de estas estructuras se pueden utilizar como ayudas para ilustrar conceptos que son difíciles de transmitir de otras maneras. Este ejercicio nos permite evaluar protocolos de impresión exitosos, hacer recomendaciones prácticas para el montaje y esbozar principios de diseño para el modelado físico de sistemas moleculares. Las estructuras, procedimientos y resultados proporcionados proporcionan una base para la fabricación y exploración individual de la estructura molecular y la dinámica con impresión 3D.
La construcción de estructuras moleculares ha sido durante mucho tiempo un aspecto crítico para el descubrimiento y validación de nuestra comprensión de la forma y las interacciones entre moléculas. La construcción del modelo físico fue un aspecto motivador en ladeterminación de la estructura de la hélice en las proteínas por Pauling et al.1, las estructuras primarias de hidrato de clatrato de agua2,3, y la estructura de doble hélice del ADN por Watson y Crick4. En el relato publicado de James Watson sobre la estructura del ADN, detalla muchas de las luchas que se enfrentaron en tal construcción modelo, como envolver un alambre de cobre alrededor de átomos de carbono modelo para hacer átomos de fósforo, suspensiones precariamente delicadas de átomos, y hacer recortes de cartón de bases mientras espera en recortes de estaño de la tienda de máquinas5. Tales luchas en la construcción de modelos se han subsanado en gran medida con el modelado computacional aumentando o suplantando por completo los enfoques físicos, aunque los modelos físicos siguen siendo un aspecto esencial en la educación química y la experimentación6,,7,,8,,9.
Desde alrededor de 2010, la impresión 3D ha experimentado un crecimiento significativo en la adopción como una herramienta para el diseño creativo y la fabricación. Este crecimiento ha sido impulsado por la competencia y la disponibilidad de una variedad de impresoras de modelado de deposición fundida (FDM) de una serie de nuevas empresas enfocadas en la comercialización amplia de la tecnología. Con la creciente accesibilidad, se ha producido un crecimiento simultáneo en la aplicación de estas tecnologías en la educación química y entornos experimentales de laboratorio10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Durante este período de tiempo, tanto los repositorios de la comunidad comercial como los abiertos para modelos 3D, como NIH 3D Print Exchange22,han hecho que los sistemas de modelos para la impresión 3D sean más accesibles, aunque muchos de estos modelos tienden a centrarse en moléculas de destino específicas y proporcionan estructuras estáticas simples con énfasis en la conectividad y el tipo de enlace. Grupos atómicos y moleculares más generales pueden permitir construcciones más creativas12,,23, y hay una necesidad de modelos que pueden permitir la creación de estructuras generales con retroalimentación táctil, dinámica y sensible a la fuerza para las estructuras moleculares.
Aquí, presentamos componentes de la estructura del modelo molecular que se pueden imprimir y ensamblar fácilmente para formar modelos moleculares dinámicos de hidrocarburos saturados. Las estructuras de componentes forman parte de un kit más amplio que hemos desarrollado para actividades de extensión y divulgación para nuestro laboratorio y universidad. Las piezas proporcionadas han sido diseñadas para ser imprimibles con una variedad de tipos de filamentos de polímero en impresoras 3D FDM. Presentamos resultados de modelos utilizando diferentes polímeros y técnicas de acabado de impresoras FDM de extrusora simple y doble. Estos componentes son escalables, lo que permite la fabricación de modelos adecuados tanto para la investigación personal como para la demostración en entornos de conferencias más grandes.
El objetivo principal de este informe es ayudar a otros investigadores y educadores a traducir los detalles de la estructura química y el conocimiento de maneras más físicas con la impresión 3D. Para ello, destacamos una aplicación de ejemplo ensamblando y manipulando el ciclohexano a diferentes escalas. Las conformaciones del sistema de anillos de seis miembros son un tema central en los cursos introductorios de Química Orgánica24,y estos conformadores son un factor en la reactividad de las estructuras de anillo y azúcar25,,26,,27. Los modelos impresos adoptan de forma flexible los conformadores de llavero24,y la fuerza necesaria para las vías de interconversión de anillos se puede explorar directamente y evaluar cualitativamente a mano.
El objetivo principal de este estudio es informar de un protocolo para la elaboración de modelos moleculares dinámicos con impresoras 3D de productos básicos. Estas impresoras son cada vez más accesibles, a menudo incluso libres de usar en bibliotecas, escuelas y otros lugares. Comenzar implica tomar decisiones sobre los modelos a imprimir y los materiales a utilizar y decidir a partir de estas opciones puede requerir cierta inspiración con respecto a lo que la fabricación creativa de aditivos puede hacer para la investigación y la instrucción. Para abordar estas cuestiones, proporcionamos algunas recomendaciones materiales prácticas, piezas de modelo sugeridas, un protocolo de impresión 3D y una aplicación de ejemplo, cada una de las cuales justifica una discusión adicional.
Hay muchas opciones de termoplástico para su uso en la impresión 3D. Destacamos tres en el protocolo presentado, ya que estos tres materiales son actualmente los más ampliamente disponibles para la impresión 3D. La elección puede depender de qué material es compatible con una impresora 3D disponible, por ejemplo, muchas instalaciones de acceso abierto sólo imprimirán con PLA debido a las limitaciones ambientales. PLA es un material biodegradable y compostable que tiene un protocolo de impresión con ajustes de temperatura suaves. Tanto ABS como PETG son menos respetuosos con el medio ambiente y no son generalmente reciclables, aunque PETG se basa en tereftalato de polietileno altamente reciclable (PET) y eventualmente puede ver un reprocesamiento de propagación más amplio como PET. Las prácticas de impresión sostenibles implicarían imprimir pocas piezas a la vez para garantizar tanto la calidad de impresión como el éxito de la impresión, esto mientras se utiliza el menor material desechado (estructuras de soporte, balsas, escudos de ooze, etc.) como sea posible. El PLA puede ser frágil, por lo que si está disponible, los termoplásticos ABS y PETG pueden dar lugar a impresiones que son más resistentes mecánicamente y tienen una mejor adherencia de la capa, respectivamente. Estas propiedades podrían ser deseables para un modelo molecular interactivo que verá la manipulación regular en un entorno de laboratorio o aula.
Los modelos presentados aquí tienen en cuenta estas consideraciones, aunque en primer lugar están diseñados para trabajar juntos para permitir la construcción dinámica de modelos moleculares. A la escala predeterminada, se ensamblan con éxito en estructuras moleculares interactivas. Se pueden escalar fácilmente a modelos grandes, aunque el ensamblaje requerirá más fuerza, ya que las puntas de conexión son menos fáciles de distorsionar a un tamaño mayor. Al reducir los componentes, una reducción del 50% en el tamaño seguirá funcionando con modificaciones menores, como reducir el modelo de átomo de carbono a 48-u201249% mientras mantiene el enlace y el átomo de hidrógeno en 50% para permitir conexiones más estrechas entre las piezas en las impresiones PLA. Los modelos tan pequeños son más delicados y a menudo requieren estructuras de balsa para imprimir con éxito, pero siguen siendo funcionales como modelos moleculares dinámicos.
El material termoplástico y los modelos elegidos para imprimir son los dos aspectos más críticos de un protocolo de impresión 3D. El termoplástico elegido dictará la temperatura, la adhesión, el recocido y las consideraciones y opciones de acabado. Si la impresora 3D disponible no tiene una cama calentada, PLA es la única de las opciones termoplásticas presentadas que imprimirá las piezas de forma reproducible. Mientras que las piezas proporcionadas están diseñadas para imprimir de forma reproducible con diferentes termoplásticos y soportar la manipulación dinámica, las impresiones se degradarán con el uso y la grieta, a menudo entre las capas de impresión, cuando se colocan bajo una tensión creciente. En tales situaciones, es fácil y relativamente rentable imprimir una pieza de reemplazo.
La funcionalidad dinámica de los conjuntos moleculares impresos a partir de los modelos proporcionados diferencia este trabajo de otros modelos disponibles e imprimibles en 3D que resaltan principalmente la conectividad y los tipos de unión. Los aspectos dinámicos se presentan en pequeña parte con la estructura de ciclohexano de ejemplo. El panorama de configuración del ciclohexano es directamente accesible a mano utilizando estos modelos, y las topologías de estos paisajes están en general de acuerdo con las investigaciones computacionales. Gran parte de esto proviene del respeto por los detalles de la geometría molecular y los grados de libertad en estos componentes de modelado físico. En elcomentario de Linus Pauling sobre su éxito en el descubrimiento de la estructura de la -helix1, afirmaron que sus contemporáneos se enfrentaron a dificultades derivadas de supuestos integrales idealistas y adoptar “… sólo una aproximación aproximada a los requisitos sobre las distancias interatómicas, los ángulos de unión y la planaridad del grupo de amida conjugada, como lo indican nuestras investigaciones sobre sustancias más simples.” Una visión más cuantitativa en esta línea requiere detalles más específicos que las consideraciones tomadas en la construcción de estas piezas modelo, pero estos modelos y recomendaciones proporcionan una base para la investigación física interactiva general de los sistemas moleculares. Estos modelos son una extensión de kits de modelos imprimibles 3D que hemos estado produciendo para actividades de investigación y divulgación durante varios años antes de este informe, y los componentes adicionales que son compatibles con estos modelos y el protocolo descrito están disponibles de los autores para permitir arreglos de unión más diversos y acción dinámica.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation (NSF) bajo la Subvención No. CHE-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. |