タイプI光開始可逆的付加フラグメンテーション連鎖移動重合による3DプリンティングおよびIn Situ表面改質
Summary
本プロトコルは、タイプI光開始可逆的付加断片化連鎖移動重合およびそれに続く表面媒介重合を介したin situ材料後官能化を用いたポリマー材料のデジタル光処理ベースの3D印刷を記載する。光誘起3Dプリンティングは、材料に独立して調整され、空間的に制御されたバルクおよび界面特性を提供します。
Abstract
3Dプリンティングは、幾何学的に複雑な材料への容易なアクセスを提供します。しかしながら、これらの材料は、樹脂の化学組成に依存する本質的に連結されたバルクおよび界面特性を有する。現在の研究では、3Dプリント材料は、二次表面開始重合プロセス を介して 3Dプリンタハードウェアを使用して後官能化され、バルクおよび界面材料特性に対する独立した制御を提供する。このプロセスは、単官能モノマー、架橋性多官能モノマー、重合の開始を可能にする光化学的に不安定な種、および決定的に可逆的な付加フラグメンテーション連鎖移動(RAFT)重合を容易にするチオカルボニルチオ化合物を含む液体樹脂を調製することから始まる。RAFT剤として一般的に知られているチオカルボニルチオ化合物は、連鎖成長重合プロセスを媒介し、より均質な網目構造を有するポリマー材料を提供する。液状樹脂を市販のデジタル光処理3Dプリンタを用いて層ごとに硬化させ、空間的に制御された形状を有する3次元材料を得る。初期樹脂を除去し、機能性モノマーおよび光開始種を含む新しい混合物で置換する。次いで、3D印刷された材料は、新しい機能性モノマー混合物の存在下で3Dプリンタからの光に曝される。これにより、3Dプリント材料の表面上の潜在的なRAFT剤基から光誘起表面開始重合が起こることを可能にする。両方の樹脂の化学的柔軟性を考えると、このプロセスにより、調整可能なバルクおよび界面特性を備えた幅広い3Dプリント材料を製造することができます。
Introduction
アディティブマニュファクチャリングと3Dプリンティングは、幾何学的に複雑な材料を製造するためのより効率的で容易なルートを提供することにより、材料製造に革命をもたらしました1。3Dプリンティングにおける設計の自由度の向上とは別に、これらの技術は、層ごとの製造プロセスで前駆体材料を賢明に使用することにより、従来の減法製造プロセスよりも廃棄物が少なくて済みます。1980年代以降、高分子、金属、セラミック部品を製造するために、さまざまな3D印刷技術が開発されてきました1。最も一般的に使用される方法には、溶融フィラメント製造や直接インク書き込み技術2などの押出ベースの3D印刷、選択的レーザー焼結3などの焼結技術、レーザーや投影ベースの光造形などの樹脂ベースの光誘起3D印刷技術、マスクされたデジタル光処理技術4が含まれます。.今日存在する多くの3D印刷技術の中で、光誘起3D印刷技術は、より高い解像度およびより速い印刷速度、ならびに室温で液体樹脂の固化を行う能力を含む他の方法と比較していくつかの利点を提供し、高度な生体材料3D印刷の可能性を開く4,5,6,7,8、9.
これらの利点により、多くの分野で3D印刷が広く採用されていますが、3D印刷材料の特性を独立して調整する能力が限られているため、将来の用途が制限されています10。特に、界面特性とは無関係にバルク機械的特性を容易に調整することができないため、細かく調整された生体適合性表面としばしば大きく異なるバルク特性を必要とするインプラントなどのアプリケーション、ならびに防汚および抗菌表面、センサー材料、およびその他のスマートマテリアル11、12、13.研究者らは、これらの問題を克服するために3Dプリント材料の表面改質を提案し、より独立して調整可能なバルクおよび界面特性を提供する10,14,15。
最近、私たちのグループは、ネットワークポリマー合成を媒介するために可逆的な付加フラグメンテーション連鎖移動(RAFT)重合を利用する光誘起3D印刷プロセスを開発しました15,16。RAFT重合は可逆的失活ラジカル重合の一種で、重合プロセスを高度に制御し、細かく調整された分子量およびトポロジー、および広い化学的範囲を有する高分子材料の製造を可能にする17,18,19。注目すべきことに、RAFT重合中に使用されるチオカルボニルチオ化合物、またはRAFT剤は、重合後に保持される。したがって、それらは、高分子材料の化学的および物理的特性をさらに改変するために再活性化され得る。したがって、3D印刷後、3D印刷材料の表面上のこれらの休眠RAFT剤を官能性モノマーの存在下で再活性化して、カスタマイズされた材料表面20、21、22、23、24、25、26を提供することができる。二次表面重合は、界面材料特性を決定し、光化学開始を介して空間的に制御された様式で行うことができる。
本プロトコルは、光誘起RAFT重合プロセスおよびそれに続くin situ表面改質を介してポリマー材料を3D印刷し、バルク材料の機械的特性とは無関係に界面特性を調節する方法を記載する。以前の3Dプリンティングおよび表面改質アプローチと比較して、現在のプロトコルは脱酸素やその他の厳しい条件を必要としないため、非専門家にとって非常にアクセスしやすいものです。さらに、3D印刷ハードウェアを使用して初期材料製造と表面後機能化の両方を実行することで、材料特性を空間的に制御でき、複雑なパターンを作成するためにいくつかの異なるフォトマスクの退屈なアライメントなしで実行できます。
Protocol
Representative Results
Discussion
本プロトコルは、独立して調整可能なバルクおよび界面特性を有するポリマー材料の3D印刷のためのプロセスを実証する。この手順は、ベース基板を3D印刷し、続いて異なる機能樹脂を使用して3D印刷物の表面層を改質するが、同じ3D印刷ハードウェアを使用することによって、2段階の方法 を介して 実行される。本作で使用している3Dプリンターは、架橋された材料を層ごとに印刷する…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、オーストラリア研究評議会とUNSWオーストラリアからディスカバリー・リサーチ・プログラム(DP210100094) を通じて 資金提供を受けたことを認めている。
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).
