3D-печать и модификация поверхности in situ с помощью обратимой полимеризации цепи с фотоинициацией типа I
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
Representative Results
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…
Divulgaciones
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 |
Referencias
- 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).
