3 डी मुद्रण और प्रकार मैं Photoinitiated प्रतिवर्ती इसके अलावा विखंडन श्रृंखला स्थानांतरण Polymerization के माध्यम से सीटू सतह संशोधन में
Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल का वर्णन करता है डिजिटल प्रकाश प्रसंस्करण-आधारित 3 डी मुद्रण बहुलक सामग्री का उपयोग करके प्रकार मैं फोटोइनिशिएटेड प्रतिवर्ती इसके अलावा-विखंडन श्रृंखला हस्तांतरण पोलीमराइजेशन और बाद में सीटू सामग्री पोस्ट-फंक्शनलाइजेशन सतह-मध्यस्थता पोलीमराइजेशन के माध्यम से । फोटोप्रेरित 3 डी प्रिंटिंग स्वतंत्र रूप से सिलवाया और स्थानिक रूप से नियंत्रित थोक और इंटरफेसियल गुणों के साथ सामग्री प्रदान करता है।
Abstract
3 डी प्रिंटिंग ज्यामितीय रूप से जटिल सामग्री के लिए सरल पहुंच प्रदान करता है। हालांकि, इन सामग्रियों में राल की रासायनिक संरचना पर निर्भर थोक और इंटरफेसियल गुण आंतरिक रूप से जुड़े हुए हैं। वर्तमान कार्य में, 3 डी मुद्रित सामग्री को द्वितीयक सतह-शुरू की गई पोलीमराइजेशन प्रक्रिया के माध्यम से 3 डी प्रिंटर हार्डवेयर का उपयोग करके पोस्ट-फंक्शनलाइज़ किया जाता है, इस प्रकार थोक और इंटरफेसियल सामग्री गुणों पर स्वतंत्र नियंत्रण प्रदान करता है। यह प्रक्रिया तरल रेजिन तैयार करने के साथ शुरू होती है, जिसमें एक मोनोफंक्शनल मोनोमर होता है, एक क्रॉसलिंकिंग मल्टीफंक्शनल मोनोमर, एक फोटोकैमिकल रूप से लैबाइल प्रजाति जो पोलीमराइजेशन की दीक्षा को सक्षम बनाती है, और गंभीर रूप से, एक थायोकार्बोनिलथिओ यौगिक जो प्रतिवर्ती जोड़-विखंडन श्रृंखला हस्तांतरण (राफ्ट) पोलीमराइजेशन की सुविधा प्रदान करता है। थायोकार्बोनिलथिओ यौगिक, जिसे आमतौर पर राफ्ट एजेंट के रूप में जाना जाता है, श्रृंखला विकास पोलीमराइजेशन प्रक्रिया की मध्यस्थता करता है और अधिक सजातीय नेटवर्क संरचनाओं के साथ बहुलक सामग्री प्रदान करता है। तरल राल को एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग 3 डी प्रिंटर का उपयोग करके एक परत-दर-परत फैशन में ठीक किया जाता है ताकि स्थानिक रूप से नियंत्रित ज्यामिति वाले तीन-आयामी सामग्री दी जा सके। प्रारंभिक राल को हटा दिया जाता है और कार्यात्मक मोनोमर्स और फोटोइनीशिएटिंग प्रजातियों वाले एक नए मिश्रण के साथ बदल दिया जाता है। 3 डी मुद्रित सामग्री को फिर नए कार्यात्मक मोनोमर मिश्रण की उपस्थिति में 3 डी प्रिंटर से प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है। यह 3 डी मुद्रित सामग्री की सतह पर अव्यक्त राफ्ट एजेंट समूहों से होने के लिए फोटोप्रेरित सतह-शुरू किए गए पोलीमराइजेशन की अनुमति देता है। दोनों रेजिन के रासायनिक लचीलेपन को देखते हुए, यह प्रक्रिया 3 डी मुद्रित सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला को दर्जी योग्य थोक और इंटरफेसियल गुणों के साथ उत्पादित करने की अनुमति देती है।
Introduction
Additive विनिर्माण और 3 डी प्रिंटिंग ज्यामितीय जटिल सामग्री के निर्माण के लिए अधिक कुशल और सरल मार्गों प्रदान करके सामग्री विनिर्माण में क्रांति ला दी है1. 3 डी प्रिंटिंग में बढ़ी हुई डिजाइन स्वतंत्रता के अलावा, ये प्रौद्योगिकियां परत-दर-परत विनिर्माण प्रक्रिया में अग्रदूत सामग्रियों के विवेकपूर्ण उपयोग के माध्यम से पारंपरिक subtractive विनिर्माण प्रक्रियाओं की तुलना में कम अपशिष्ट का उत्पादन करती हैं। 1980 के दशक के बाद से, बहुलक, धातु और सिरेमिक घटकों को बनाने के लिए विभिन्न 3 डी प्रिंटिंग तकनीकों की एक विस्तृत श्रृंखला विकसित की गई है। सबसे अधिक नियोजित तरीकों में एक्सट्रूज़न-आधारित 3 डी प्रिंटिंग जैसे कि फ्यूज्ड फिलामेंट फैब्रिकेशन और डायरेक्ट इंक राइटिंग तकनीक2, सिंटरिंग तकनीकजैसे चयनात्मक लेजर सिंटरिंग 3, साथ ही राल-आधारित फोटो-प्रेरित 3 डी प्रिंटिंग तकनीकें जैसे लेजर और प्रोजेक्शन-आधारित स्टीरियोलिथोग्राफी और नकाबपोश डिजिटल लाइट प्रोसेसिंग तकनीक शामिल हैं4 . आज अस्तित्व में कई 3 डी प्रिंटिंग तकनीकों में से, फोटोप्रेरित 3 डी प्रिंटिंग तकनीकें अन्य तरीकों की तुलना में कुछ फायदे प्रदान करती हैं, जिसमें उच्च रिज़ॉल्यूशन और तेज प्रिंटिंग गति शामिल है, साथ ही कमरे के तापमान पर तरल राल के ठोसीकरण करने की क्षमता भी शामिल है, जो उन्नत बायोमटेरियल 3 डी प्रिंटिंग 4,5,6,7,8 की संभावना को खोलती है, ९ ।
जबकि इन फायदों ने कई क्षेत्रों में 3 डी प्रिंटिंग को व्यापक रूप से अपनाने की अनुमति दी है, 3 डी मुद्रित सामग्री गुणों को स्वतंत्र रूप से दर्जी करने की सीमित क्षमता भविष्य के अनुप्रयोगों को प्रतिबंधित करती है। विशेष रूप से, इंटरफेसियल गुणों से स्वतंत्र रूप से थोक यांत्रिक गुणों को आसानी से दर्जी करने में असमर्थता प्रत्यारोपण जैसे अनुप्रयोगों को सीमित करती है, जिसके लिए बारीकी से सिलवाया बायोकंपैटिबल सतहों और अक्सर काफी भिन्न थोक गुणों की आवश्यकता होती है, साथ ही साथ एंटीफाउलिंग और जीवाणुरोधी सतहों, सेंसर सामग्री और अन्य स्मार्ट सामग्री11,12,13 . शोधकर्ताओं ने इन मुद्दों को दूर करने के लिए 3 डी मुद्रित सामग्रियों के सतह संशोधन का प्रस्ताव दिया है ताकि अधिक स्वतंत्र रूप से दर्जी योग्य थोक और इंटरफेसियल गुण प्रदान किए जा सकें10,14,15।
हाल ही में, हमारे समूह ने एक फोटोप्रेरित 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया विकसित की है जो नेटवर्क बहुलक संश्लेषण 15,16 की मध्यस्थता के लिए प्रतिवर्ती अतिरिक्त-विखंडन श्रृंखला हस्तांतरण (राफ्ट) पोलीमराइजेशन का शोषण करती है। राफ्ट पोलीमराइजेशन एक प्रकार का प्रतिवर्ती निष्क्रियता कट्टरपंथी पोलीमराइजेशन है जो पोलीमराइजेशन प्रक्रिया पर उच्च स्तर का नियंत्रण प्रदान करता है और सूक्ष्म रूप से ट्यून किए गए आणविक वजन और टोपोलॉजी के साथ मैक्रोमोलेक्यूलर सामग्री के उत्पादन की अनुमति देता है, और व्यापक रासायनिक गुंजाइश 17,18,19। विशेष रूप से, थायोकार्बोनिलथिओ यौगिकों, या राफ्ट एजेंटों, राफ्ट पोलीमराइजेशन के दौरान उपयोग किए जाते हैं, पोलीमराइजेशन के बाद बनाए रखा जाता है। इस प्रकार उन्हें मैक्रोमोलेक्यूलर सामग्री के रासायनिक और भौतिक गुणों को संशोधित करने के लिए फिर से सक्रिय किया जा सकता है। इस प्रकार, 3 डी प्रिंटिंग के बाद, 3 डी मुद्रित सामग्री की सतहों पर इन निष्क्रिय राफ्ट एजेंटों को कार्यात्मक मोनोमर्स की उपस्थिति में फिर से सक्रिय किया जा सकता है ताकि अनुरूप सामग्री सतहों 20,21,22,23,24,25,26 प्रदान किया जा सके। द्वितीयक सतह पोलीमराइजेशन इंटरफेसियल सामग्री गुणों को निर्धारित करता है और फोटोकैमिकल दीक्षा के माध्यम से स्थानिक रूप से नियंत्रित फैशन में किया जा सकता है।
वर्तमान प्रोटोकॉल एक फोटोप्रेरित राफ्ट पोलीमराइजेशन प्रक्रिया के माध्यम से 3 डी प्रिंटिंग बहुलक सामग्री के लिए एक विधि का वर्णन करता है और बाद में सीटू सतह संशोधन थोक सामग्री यांत्रिक गुणों के स्वतंत्र रूप से इंटरफेसियल गुणों को संशोधित करने के लिए। पिछले 3 डी प्रिंटिंग और सतह संशोधन दृष्टिकोणों की तुलना में, वर्तमान प्रोटोकॉल को डीऑक्सीजनेशन या अन्य कठोर स्थितियों की आवश्यकता नहीं होती है और इस प्रकार गैर-विशेषज्ञों के लिए अत्यधिक सुलभ है। इसके अलावा, प्रारंभिक सामग्री निर्माण और सतह के बाद-कार्यात्मकता दोनों को करने के लिए 3 डी प्रिंटिंग हार्डवेयर का उपयोग सामग्री गुणों पर स्थानिक नियंत्रण प्रदान करता है और जटिल पैटर्न बनाने के लिए कई अलग-अलग फोटोमास्क के थकाऊ संरेखण के बिना किया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्तमान प्रोटोकॉल स्वतंत्र रूप से tunable थोक और इंटरफेसियल गुणों के साथ बहुलक सामग्री के 3 डी मुद्रण के लिए एक प्रक्रिया को प्रदर्शित करता है। प्रक्रिया को आधार सब्सट्रेट को 3 डी प्रिंट करके दो-चरणीय विधि ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक डिस्कवरी रिसर्च प्रोग्राम (DP210100094) के माध्यम से ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद और UNSW ऑस्ट्रेलिया से धन को स्वीकार करते हैं।
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).
