3D-utskrift og in situ overflatemodifisering via type I fotoinitiert reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføringspolymerisering

Summary

Den nåværende protokollen beskriver den digitale lysbehandlingsbaserte 3D-utskriften av polymere materialer ved hjelp av type I fotoinitiert reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføringspolymerisering og den påfølgende in situ-materialet etter funksjonalisering via overflatemediert polymerisering. Fotoindusert 3D-utskrift gir materialer med uavhengig skreddersydde og romlig kontrollerte bulk- og interfaciale egenskaper.

Abstract

3D-utskrift gir facile tilgang til geometrisk komplekse materialer. Imidlertid har disse materialene iboende koblede bulk- og interfaciale egenskaper avhengig av den kjemiske sammensetningen av harpiksen. I det nåværende arbeidet etterfunksjonaliseres 3D-trykte materialer ved hjelp av 3D-skrivermaskinvaren via en sekundær overflateinitiert polymerisasjonsprosess, og gir dermed uavhengig kontroll over bulk- og interfacialmaterialeegenskapene. Denne prosessen begynner med å forberede flytende harpikser, som inneholder en monofunksjonell monomer, en krysskobling multifunksjonell monomer, en fotokjemisk labile arter som muliggjør initiering av polymerisasjon, og kritisk, en tiokarbonylthio-forbindelse som letter reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføring (RAFT) polymerisering. Thiocarbonylthio-forbindelsen, kjent som et RAFT-middel, formidler kjedevekstpolymeriseringsprosessen og gir polymere materialer med mer homogene nettverksstrukturer. Væskeharpiksen herdes lag for lag ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig 3D-skriver for digital lysbehandling for å gi tredimensjonale materialer som har romlig kontrollerte geometrier. Den første harpiksen fjernes og erstattes med en ny blanding som inneholder funksjonelle monomerer og fotoinitierende arter. Det 3D-trykte materialet blir deretter utsatt for lys fra 3D-skriveren i nærvær av den nye funksjonelle monomerblandingen. Dette gjør at fotoindusert overflateinitiert polymerisasjon kan forekomme fra latente RAFT-agentgrupper på overflaten av det 3D-trykte materialet. Gitt den kjemiske fleksibiliteten til begge harpiksene, gjør denne prosessen det mulig å produsere et bredt spekter av 3D-trykte materialer med skreddersydde bulk- og interfaciale egenskaper.

Introduction

Additiv tilvirkning og 3D-utskrift har revolusjonert materialproduksjonen ved å gi mer effektive og facile ruter for fabrikasjon av geometrisk komplekse ^materialer1. Bortsett fra de forbedrede designfrihetene i 3D-utskrift, produserer disse teknologiene mindre avfall enn tradisjonelle subtraktive produksjonsprosesser via fornuftig bruk av forløpermaterialer i en lag-for-lag-produksjonsprosess. Siden 1980-tallet har et bredt spekter av forskjellige 3D-utskriftsteknikker blitt utviklet for å fremstille polymere, metall- og keramiske ^komponenter1. De mest brukte metodene inkluderer ekstruderingsbasert 3D-utskrift som smeltet filamentfabrikasjon og direkte blekkskrivingsteknikker2, sintringsteknikker som selektiv laser ^sintering3, samt harpiksbaserte fotoinduserte 3D-utskriftsteknikker som laser- og projeksjonsbasert stereolitografi og maskerte digitale lysbehandlingsteknikker4 . Blant de mange 3D-utskriftsteknikker som eksisterer i dag, gir fotoinduserte 3D-utskriftsteknikker noen fordeler sammenlignet med andre metoder, inkludert høyere oppløsning og raskere utskriftshastigheter, samt muligheten til å utføre størkning av væskeharpiksen ved romtemperatur, noe som åpner muligheten for avansert biomateriale 3D-utskrift4,5,6,7,8^{, 9}.

Selv om disse fordelene har gjort det mulig å ta i bruk 3D-utskrift på mange felt, begrenser den begrensede muligheten til uavhengig å skreddersy egenskapene til 3D-trykt materiale fremtidige ^{applikasjoner10}. Spesielt begrenser manglende evne til enkelt å skreddersy bulkmekaniske egenskaper uavhengig av de interfaciale egenskapene applikasjoner som implantater, som krever fint skreddersydde biokompatible overflater og ofte svært forskjellige bulkegenskaper, samt antifouling og antibakterielle overflater, sensormaterialer og andre smarte materialer11,12,13 . Forskere har foreslått overflatemodifisering av 3D-trykte materialer for å overvinne disse problemene for å gi mer uavhengig skreddersydde bulk- og interfaciale egenskaper10,14,15.

Nylig utviklet gruppen vår en fotoindusert 3D-utskriftsprosess som utnytter reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføring (RAFT) polymerisering for å formidle nettverkspolymersyntese15,16. RAFT polymerisasjon er en type reversibel deaktivering radikal polymerisasjon som gir en høy grad av kontroll over polymerisasjonsprosessen og tillater produksjon av makromolekylære materialer med finjusterte molekylvekter og topologier, og bredt kjemisk omfang17,18,19. Spesielt beholdes thiokarbonylthio-forbindelsene, eller RAFT-midler, som brukes under RAFT-polymerisering etter polymerisering. De kan dermed reaktiveres for å endre de kjemiske og fysiske egenskapene til makromolekylært materiale ytterligere. Etter 3D-utskrift kan disse sovende RAFT-midlene på overflatene av det 3D-trykte materialet reaktiveres i nærvær av funksjonelle monomerer for å gi skreddersydde materialoverflater20,21,22,23,24,25,26. Den sekundære overflatepolymeriseringen dikterer de interfaciale materialegenskapene og kan utføres på en romlig kontrollert måte via fotokjemisk initiering.

Den nåværende protokollen beskriver en metode for 3D-utskrift av polymere materialer via en fotoindusert RAFT-polymerisasjonsprosess og den påfølgende in situ overflatemodifiseringen for å modulere de interfaciale egenskapene uavhengig av bulkmaterialets mekaniske egenskaper. Sammenlignet med tidligere 3D-utskrift og overflatemodifiseringsmetoder, krever ikke den nåværende protokollen deoksygenering eller andre strenge forhold og er dermed svært tilgjengelig for ikke-spesialister. Videre gir bruk av 3D-utskriftsmaskinvare for å utføre både den første materialproduksjonen og overflaten etter funksjonalisering romlig kontroll over materialegenskapene og kan utføres uten kjedelig justering av flere forskjellige fotomasker for å lage komplekse mønstre.

Protocol

1. Utarbeidelse av 3D-utskriftsprogram og 3D-skriver Utform den digitale modellen for 3D-utskrift ved å følge trinnene nedenfor. Åpne et dataassistert designprogram (se Materialfortegnelser). I x-y-planet oppretter du et rektangel sentrert på opprinnelsen med dimensjoner på 80 mm x 40 mm, og ekstruderer deretter langs den positive z-aksen for 1,5 mm for å lage et solid rektangulært prisme, kalt basisobjektet. Over grunnobjektet, det vil si v…

Representative Results

Den generelle prosedyren for 3D-utskrift og overflatefunksjonalisering er vist i figur 1. I denne protokollen syntetiseres en nettverkspolymer i utgangspunktet via en fotoindusert RAFT-polymerisasjonsprosess15, ved hjelp av en 3D-skriver for å fremstille et objekt i en lag-for-lag-prosess (figur 1A). Bulkharpiksen som brukes til å danne polymernettverket inneholder en fotolabile initierende art (TPO), som genererer radikaler ve…

Discussion

Den nåværende protokollen demonstrerer en prosess for 3D-utskrift av polymermaterialer med uavhengig justerbare bulk- og interfaciale egenskaper. Prosedyren utføres via en totrinnsmetode ved at 3D-utskrift av basissubstratet og deretter endrer overflatelaget til det 3D-trykte objektet ved hjelp av en annen funksjonell harpiks, men bruker samme 3D-utskriftsmaskinvare. Mens 3D-skriverne som brukes i dette arbeidet, er utformet for å skrive ut krysskoblede materialer lag for lag, kan overflatefunksjonaliseringe…

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