الطباعة 3D وتعديل السطح في الموقع عبر النوع الأول من الصور الضوئية عكسها إضافة تجزئة سلسلة نقل البلمرة
Summary
يصف هذا البروتوكول الطباعة الرقمية ثلاثية الأبعاد القائمة على معالجة الضوء للمواد البوليمرية باستخدام بلمرة سلسلة الإضافة والشظايا القابلة للعكس من النوع الأول والمعالجة الضوئية اللاحقة لما بعد التشغيل عن طريق البلمرة بوساطة السطح. توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد المستحثة بالصور مواد ذات خصائص سائبة وبينية مصممة بشكل مستقل ويتم التحكم فيها مكانيا.
Abstract
توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد وصولا سهلا إلى المواد المعقدة هندسيا. ومع ذلك ، فإن هذه المواد لها خصائص سائبة وبينية مرتبطة ارتباطا جوهريا تعتمد على التركيب الكيميائي للراتنج. في العمل الحالي ، يتم تشغيل المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد بعد التشغيل باستخدام أجهزة الطابعة ثلاثية الأبعاد عبر عملية بلمرة ثانوية تبدأ على السطح ، وبالتالي توفير تحكم مستقل في خصائص المواد السائبة والبينية. تبدأ هذه العملية بتحضير الراتنجات السائلة ، التي تحتوي على مونومر أحادي الوظيفة ، ومونومر متعدد الوظائف متقاطع ، ونوع من اللابلين كيميائيا الضوئي الذي يمكن من بدء البلمرة ، والأهم من ذلك ، مركب ثيوكربونيل ثيو الذي يسهل بلمرة نقل سلسلة الإضافة والتجزئة القابلة للانعكاس (RAFT). يتوسط مركب ثيوكربونيل ثيو ، المعروف باسم عامل RAFT ، عملية بلمرة نمو السلسلة ويوفر المواد البوليمرية مع هياكل شبكة أكثر تجانسا. يتم علاج الراتنج السائل بطريقة طبقة تلو الأخرى باستخدام طابعة 3D لمعالجة الضوء الرقمي متاحة تجاريا لإعطاء مواد ثلاثية الأبعاد لها هندسة يتم التحكم فيها مكانيا. تتم إزالة الراتنج الأولي واستبداله بخليط جديد يحتوي على مونومرات وظيفية وأنواع ضوئية. ثم تتعرض المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد للضوء من الطابعة ثلاثية الأبعاد في وجود خليط مونومر وظيفي جديد. هذا يسمح للبلمرة السطحية المستحثة ضوئيا أن تحدث من مجموعات عوامل RAFT الكامنة على سطح المواد المطبوعة 3D. بالنظر إلى المرونة الكيميائية لكلا الراتنجتين ، تسمح هذه العملية بإنتاج مجموعة واسعة من المواد المطبوعة 3D بخصائص سائبة وبين الوجوه قابلة للتخصيص.
Introduction
لقد أحدث التصنيع المضاف والطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في تصنيع المواد من خلال توفير طرق أكثر كفاءة وسهولة لتصنيع المواد المعقدة هندسيا1. بصرف النظر عن حريات التصميم المحسنة في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تنتج هذه التقنيات نفايات أقل من عمليات التصنيع المطروحة التقليدية من خلال الاستخدام الحكيم لمواد السلائف في عملية تصنيع طبقة تلو الأخرى. منذ 1980s ، تم تطوير مجموعة واسعة من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة لتصنيع المكونات البوليمرية والمعدنية والخزفية1. تشمل الطرق الأكثر شيوعا الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق مثل تصنيع الخيوط المنصهرة وتقنيات الكتابة بالحبر المباشر2 ، وتقنيات التلبيد مثل التلبيد الانتقائي بالليزر 3 ، بالإضافة إلى تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على الراتنج مثل الطباعة الحجرية المجسمة القائمة على الليزر والإسقاط وتقنيات معالجة الضوء الرقمي المقنع4 . من بين العديد من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الموجودة اليوم ، توفر تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المستحثة بالضوء بعض المزايا مقارنة بالطرق الأخرى ، بما في ذلك الدقة العالية وسرعات الطباعة الأسرع ، بالإضافة إلى القدرة على إجراء تصلب الراتنج السائل في درجة حرارة الغرفة ، مما يفتح إمكانية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد الحيوية المتقدمة4,5,6,7,8, 9.
في حين أن هذه المزايا قد سمحت باعتماد الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في العديد من المجالات، فإن القدرة المحدودة على تخصيص خصائص المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل مستقل تقيد التطبيقات المستقبلية10. على وجه الخصوص ، فإن عدم القدرة على تكييف الخواص الميكانيكية السائبة بسهولة بشكل مستقل عن الخصائص البينية تحد من التطبيقات مثل الغرسات ، والتي تتطلب أسطح متوافقة بيولوجيا مصممة بدقة وغالبا ما تختلف الخصائص السائبة اختلافا كبيرا ، بالإضافة إلى الأسطح المضادة للحشف والمضادة للبكتيريا ، ومواد الاستشعار ، وغيرها من المواد الذكية11،12،13 . اقترح الباحثون تعديل سطح المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتغلب على هذه المشكلات لتوفير خصائص سائبة وبينية أكثر قابلية للتخصيص بشكل مستقل10،14،15.
في الآونة الأخيرة ، طورت مجموعتنا عملية طباعة ثلاثية الأبعاد مستحثة بالضوء تستغل بلمرة نقل سلسلة الإضافة والتجزئة القابلة للانعكاس (RAFT) للتوسط في تخليق البوليمر في الشبكة 15,16. بلمرة RAFT هي نوع من البلمرة الجذرية القابلة للتعطيل القابلة للعكس التي توفر درجة عالية من التحكم في عملية البلمرة وتسمح بإنتاج مواد جزيئية كبيرة ذات أوزان وطوبولوجيات جزيئية مضبوطة بدقة ، ونطاق كيميائي واسع 17،18،19. والجدير بالذكر أن مركبات ثيو كربونيل ثيو ، أو عوامل RAFT ، المستخدمة أثناء بلمرة RAFT يتم الاحتفاظ بها بعد البلمرة. وبالتالي يمكن إعادة تنشيطها لزيادة تعديل الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمادة الجزيئية الكبيرة. وبالتالي ، بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن إعادة تنشيط عوامل RAFT النائمة هذه على أسطح المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد في وجود مونومرات وظيفية لتوفير أسطح مواد مخصصة20،21،22،23،24،25،26. تملي البلمرة السطحية الثانوية خصائص المواد بين الوجوه ويمكن إجراؤها بطريقة يتم التحكم فيها مكانيا عن طريق البدء الكيميائي الضوئي.
يصف هذا البروتوكول طريقة لطباعة المواد البوليمرية 3D عبر عملية بلمرة RAFT المستحثة بالضوء وتعديل السطح اللاحق في الموقع لتعديل الخصائص البينية بشكل مستقل عن الخواص الميكانيكية للمواد السائبة. بالمقارنة مع أساليب الطباعة 3D السابقة وتعديل السطح ، فإن البروتوكول الحالي لا يتطلب إزالة الأكسجين أو غيرها من الشروط الصارمة ، وبالتالي يمكن الوصول إليه بسهولة لغير المتخصصين. علاوة على ذلك ، فإن استخدام أجهزة الطباعة 3D لأداء كل من تصنيع المواد الأولية والسطح بعد الوظيفة يوفر التحكم المكاني في خصائص المواد ويمكن تنفيذه دون محاذاة مملة للعديد من الأقنعة الضوئية المختلفة لإنشاء أنماط معقدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح البروتوكول الحالي عملية للطباعة ثلاثية الأبعاد لمواد البوليمر ذات الخصائص السائبة والبينية القابلة للضبط بشكل مستقل. يتم تنفيذ الإجراء عبر طريقة من خطوتين عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد للركيزة الأساسية ومن ثم تعديل الطبقة السطحية للكائن المطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام راتنج …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بالتمويل من مجلس البحوث الأسترالي و UNSW Australia عبر برنامج 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).
