Impressão 3D e Modificação da superfície in situ através da polimerização da cadeia de adição reversível do tipo I fotoinitida
Summary
O presente protocolo descreve a impressão 3D baseada em processamento de luz digital de materiais polimédicos utilizando a polimerização da cadeia de transferência de adição reversível do tipo I e a subsequente pós-funcionalização do material in situ via polimerização mediada pela superfície. A impressão 3D fotoinduzida fornece materiais com propriedades a granel e interfaciais independentemente adaptadas e espacialmente controladas.
Abstract
A impressão 3D fornece acesso fácil a materiais geométricos complexos. No entanto, esses materiais têm propriedades a granel e interfaciais intrinsecamente ligadas, dependentes da composição química da resina. No trabalho atual, os materiais impressos em 3D são pós-funcionalizados usando o hardware da impressora 3D através de um processo secundário de polimerização iniciado pela superfície, fornecendo assim controle independente sobre as propriedades do ativo a granel e interfacial. Esse processo começa com a preparação de resinas líquidas, que contêm um monômero monofuncional monofuncional, uma espécie fotoquimicamente labile que permite o início da polimerização, e criticamente, um composto tiocarboniltico que facilita a polimerização da cadeia de transferência de adição reversível (RAFT). O composto tiocarbonetolthio, conhecido comumente como agente raft, media o processo de polimerização de crescimento em cadeia e fornece materiais poliméricos com estruturas de rede mais homogêneas. A resina líquida é curada de forma camada por camada usando uma impressora 3D de processamento de luz digital comercialmente disponível para dar materiais tridimensionais com geometrias espacialmente controladas. A resina inicial é removida e substituída por uma nova mistura contendo monômeros funcionais e espécies fotoiniciais. O material impresso em 3D é então exposto à luz da impressora 3D na presença da nova mistura funcional de monômeros. Isso permite que a polimerização iniciada pela superfície fotoinduzida ocorra a partir dos grupos de agentes de RAFT latentes na superfície do material impresso 3D. Dada a flexibilidade química de ambas as resinas, este processo permite que uma ampla gama de materiais impressos em 3D sejam produzidos com propriedades a granel e interfaciais sob medida.
Introduction
A fabricação aditiva e a impressão 3D revolucionaram a fabricação de materiais, fornecendo rotas mais eficientes e fáceis para a fabricação de materiais geométricos complexos1. Além das liberdades de design aprimoradas na impressão 3D, essas tecnologias produzem menos resíduos do que os processos tradicionais de fabricação subtrativa através do uso criterioso de materiais precursores em um processo de fabricação camada por camada. Desde a década de 1980, uma ampla gama de diferentes técnicas de impressão 3D foi desenvolvida para fabricar componentes poliméricos, metálicos e cerâmicos1. Os métodos mais comumente utilizados incluem impressão 3D baseada em extrusão, como fabricação de filamento fundido e técnicas diretas de escrita de tinta2, técnicas de sintering, como sintering a laser seletivo3, bem como técnicas de impressão 3D fotoinduzidas por resina, como estereografia baseada em laser e projeção e técnicas de processamento de luz digital mascaradas4 . Entre as muitas técnicas de impressão 3D existentes hoje, as técnicas de impressão 3D fotoinduzidas fornecem algumas vantagens em comparação com outros métodos, incluindo maior resolução e velocidades de impressão mais rápidas, bem como a capacidade de realizar a solidificação da resina líquida à temperatura ambiente, o que abre a possibilidade de impressão 3D biomaterial avançada4,5,6,7,8, 9.
Embora essas vantagens tenham permitido a adoção generalizada da impressão 3D em muitos campos, a capacidade limitada de adaptar independentemente as propriedades de material impresso em 3D restringe aplicações futuras10. Em particular, a incapacidade de adaptar facilmente as propriedades mecânicas a granel independentemente das propriedades interfaciais limita aplicações como implantes, que requerem superfícies biocompatíveis finamente adaptadas e muitas vezes propriedades a granel muito diferentes, bem como superfícies antifameradas e antibacterianas, materiais sensoriais e outros materiais inteligentes11,12,13 . Pesquisadores propuseram modificação superficial de materiais impressos em 3D para superar essas questões para fornecer propriedades a granel e interfaciais mais independentes 10,14,15.
Recentemente, nosso grupo desenvolveu um processo de impressão 3D fotoinduzido que explora a polimerização reversível de transferência de cadeia de adição (RAFT) para mediar a síntese de polímeros de rede15,16. A polimerização de RAFT é um tipo de polimerização radical de desativação reversível que proporciona um alto grau de controle sobre o processo de polimerização e permite a produção de materiais macromoleculares com pesos moleculares e topologias finamente ajustadas, e amplo escopo químico17,18,19. Notavelmente, os compostos de tiocarboneto, ou agentes RAFT, usados durante a polimerização de RAFT são retidos após a polimerização. Assim, podem ser reativados para modificar ainda mais as propriedades químicas e físicas do material macromolecular. Assim, após a impressão 3D, esses agentes de RAFT adormecidos nas superfícies do material impresso em 3D podem ser reativados na presença de monômeros funcionais para fornecer superfícies materiais sob medida20,21,22,23,24,25,26. A polimerização da superfície secundária dita as propriedades do material interfacial e pode ser realizada de forma espacialmente controlada através da iniciação fotoquímica.
O presente protocolo descreve um método para impressão 3D de materiais poliméricos através de um processo de polimerização de RAFT fotoinduzida e a posterior modificação da superfície in situ para modular as propriedades interfaciais independentemente das propriedades mecânicas do material a granel. Em comparação com as abordagens anteriores de impressão 3D e modificação de superfície, o protocolo atual não requer desoxigenação ou outras condições rigorosas e, portanto, é altamente acessível para não especialistas. Além disso, o uso de hardware de impressão 3D para realizar tanto a fabricação inicial do material quanto a pós-funcionalização da superfície fornece controle espacial sobre as propriedades do material e pode ser realizado sem o alinhamento tedioso de várias diferentes máscaras para fazer padrões complexos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O presente protocolo demonstra um processo de impressão 3D de materiais polímeros com propriedades a granel e interfaciais independentemente tícs. O procedimento é realizado através de um método de duas etapas, imprimindo o substrato base e, posteriormente, modificando a camada superficial do objeto impresso em 3D usando uma resina funcional diferente, mas usando o mesmo hardware de impressão 3D. Embora as impressoras 3D usadas neste trabalho sejam projetadas para imprimir materiais transligados de forma …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem o financiamento do Australian Research Council e da UNSW Australia através do programa Discovery Research (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 |
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).
