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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Das vorliegende Protokoll beschreibt den auf digitaler Lichtverarbeitung basierenden 3D-Druck polymerer Materialien unter Verwendung der photoinitiierten reversiblen Additionsfragmentierungskettentransferpolymerisation Typ I und die anschließende In-situ-Materialpostfunktionalisierung durch oberflächenvermittelte Polymerisation. Der photoinduzierte 3D-Druck liefert Materialien mit unabhängig voneinander maßgeschneiderten und räumlich kontrollierten Schütt- und Grenzflächeneigenschaften.

Zusammenfassung

Der 3D-Druck bietet einen einfachen Zugang zu geometrisch komplexen Materialien. Diese Materialien haben jedoch untrennbar verbundene Schütt- und Grenzflächeneigenschaften, die von der chemischen Zusammensetzung des Harzes abhängen. In der aktuellen Arbeit werden 3D-gedruckte Materialien mithilfe der 3D-Druckerhardware über einen sekundären oberflächeninitiierten Polymerisationsprozess postfunktionalisiert und bieten so eine unabhängige Kontrolle über die Schütt- und Grenzflächenmaterialeigenschaften. Dieser Prozess beginnt mit der Herstellung von flüssigen Harzen, die ein monofunktionelles Monomer, ein vernetzendes multifunktionales Monomer, eine photochemisch labile Spezies, die die Einleitung der Polymerisation ermöglicht, und vor allem eine Thiocarbonylthioverbindung, die eine reversible RAFT-Polymerisation (Addition-Fragmentation Chain Transfer) ermöglicht, enthalten. Die Thiocarbonylthio-Verbindung, allgemein bekannt als RAFT-Agent, vermittelt den Kettenwachstumspolymerisationsprozess und verleiht polymeren Materialien homogenere Netzwerkstrukturen. Das flüssige Harz wird Schicht für Schicht mit einem handelsüblichen digitalen Lichtverarbeitungs-3D-Drucker ausgehärtet, um dreidimensionale Materialien mit räumlich kontrollierten Geometrien zu erhalten. Das anfängliche Harz wird entfernt und durch eine neue Mischung ersetzt, die funktionelle Monomere und photoinitiierende Spezies enthält. Das 3D-gedruckte Material wird dann in Gegenwart der neuen funktionellen Monomermischung dem Licht des 3D-Druckers ausgesetzt. Dies ermöglicht eine photoinduzierte oberflächeninitiierte Polymerisation aus den latenten RAFT-Wirkstoffgruppen auf der Oberfläche des 3D-gedruckten Materials. Angesichts der chemischen Flexibilität beider Harze ermöglicht dieses Verfahren die Herstellung einer breiten Palette von 3D-gedruckten Materialien mit maßgeschneiderten Schütt- und Grenzflächeneigenschaften.

Einleitung

Die additive Fertigung und der 3D-Druck haben die Materialherstellung revolutioniert, indem sie effizientere und einfachere Wege für die Herstellung geometrisch komplexer Materialien bieten1. Abgesehen von den erweiterten Designfreiheiten im 3D-Druck erzeugen diese Technologien weniger Abfall als herkömmliche subtraktive Herstellungsverfahren durch die umsichtige Verwendung von Vorläufermaterialien in einem Schicht-für-Schicht-Herstellungsprozess. Seit den 1980er Jahren wurde eine breite Palette verschiedener 3D-Drucktechniken entwickelt, um polymere, metallische und keramische Komponenten herzustellen1. Zu den am häufigsten verwendeten Methoden gehören extrusionsbasierter 3D-Druck wie die Herstellung von Schmelzfilamenten und direkte Tintenschreibtechniken2, Sintertechniken wie selektives Lasersintern3 sowie harzbasierte photoinduzierte 3D-Drucktechniken wie laser- und projektionsbasierte Stereolithographie und Techniken zur Verarbeitung von maskiertem digitalem Licht4 . Unter den vielen 3D-Drucktechniken, die heute existieren, bieten photoinduzierte 3D-Drucktechniken einige Vorteile im Vergleich zu anderen Methoden, darunter eine höhere Auflösung und schnellere Druckgeschwindigkeiten sowie die Möglichkeit, das flüssige Harz bei Raumtemperatur zu erstarren, was die Möglichkeit für einen fortschrittlichen Biomaterial-3D-Druck eröffnet4,5,6,7,8, 9.

Während diese Vorteile die weit verbreitete Einführung des 3D-Drucks in vielen Bereichen ermöglicht haben, schränkt die begrenzte Fähigkeit, die 3D-gedruckten Materialeigenschaften unabhängig voneinander anzupassen, zukünftige Anwendungen ein10. Insbesondere die Unfähigkeit, die mechanischen Masseneigenschaften unabhängig von den Grenzflächeneigenschaften einfach anzupassen, schränkt Anwendungen wie Implantate ein, die fein zugeschnittene biokompatible Oberflächen und oft sehr unterschiedliche Schütteigenschaften erfordern, sowie Antifouling- und antibakterielle Oberflächen, Sensormaterialien und andere intelligente Materialien11,12,13 . Forscher haben eine Oberflächenmodifikation von 3D-gedruckten Materialien vorgeschlagen, um diese Probleme zu überwinden und unabhängigere anpassbare Volumen- und Grenzflächeneigenschaften bereitzustellen10,14,15.

Vor kurzem hat unsere Gruppe ein photoinduziertes 3D-Druckverfahren entwickelt, das die reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer (RAFT)-Polymerisation nutzt, um die Netzwerkpolymersynthese zu vermitteln15,16. RAFT-Polymerisation ist eine Art reversible Deaktivierungsradikalpolymerisation, die ein hohes Maß an Kontrolle über den Polymerisationsprozess bietet und die Herstellung makromolekularer Materialien mit fein abgestimmten Molekulargewichten und Topologien sowie einem breiten chemischen Geltungsbereich ermöglicht17,18,19. Insbesondere die Thiocarbonylthioverbindungen oder RAFT-Mittel, die während der RAFT-Polymerisation verwendet werden, bleiben nach der Polymerisation erhalten. Sie können so reaktiviert werden, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften des makromolekularen Materials weiter zu modifizieren. So können diese ruhenden RAFT-Mittel auf den Oberflächen des 3D-gedruckten Materials nach dem 3D-Druck in Gegenwart von funktionellen Monomeren reaktiviert werden, um maßgeschneiderte Materialoberflächen bereitzustellen20,21,22,23,24,25,26. Die sekundäre Oberflächenpolymerisation bestimmt die Grenzflächenmaterialeigenschaften und kann räumlich kontrolliert über photochemische Initiierung durchgeführt werden.

Das vorliegende Protokoll beschreibt ein Verfahren zum 3D-Druck polymerer Materialien über ein photoinduziertes RAFT-Polymerisationsverfahren und die anschließende In-situ-Oberflächenmodifikation zur Modulation der Grenzflächeneigenschaften unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des Schüttguts. Im Vergleich zu früheren 3D-Druck- und Oberflächenmodifikationsansätzen erfordert das aktuelle Protokoll keine Desoxygenierung oder andere strenge Bedingungen und ist daher für Nicht-Spezialisten sehr zugänglich. Darüber hinaus bietet die Verwendung von 3D-Druckhardware zur Durchführung sowohl der anfänglichen Materialherstellung als auch der Oberflächenpostfunktionalisierung eine räumliche Kontrolle über die Materialeigenschaften und kann ohne die mühsame Ausrichtung mehrerer verschiedener Fotomasken durchgeführt werden, um komplexe Muster zu erstellen.

Protokoll

1. Vorbereitung von 3D-Druckprogramm und 3D-Drucker

  1. Entwerfen Sie das digitale Modell für den 3D-Druck mit den folgenden Schritten.
    1. Öffnen Sie ein computergestütztes Designprogramm (siehe Materialtabelle).
    2. Erstellen Sie in der x-y-Ebene ein Rechteck, das auf den Ursprung zentriert ist, mit Abmessungen von 80 mm x 40 mm, und extrudieren Sie dann entlang der positiven z-Achse für 1,5 mm, um ein festes rechteckiges Prisma zu erhalten, das als Basisobjekt bezeichnet wird.
    3. Zeichnen Sie oberhalb des Basisobjekts, d.h. bei z = 1,5 mm, die gewünschten Oberflächenmuster (in diesem Fall zwei Yin-Yang-Symbole) auf die Oberfläche des rechteckigen Prismas.
    4. Extrudieren Sie die Oberflächenmuster in ausgewählten Bereichen um 0,05 mm entlang der positiven Z-Achse, um ein leicht erhöhtes Muster relativ zum Basisobjekt zu erzeugen.
    5. Exportieren Sie das 3D-Modell, um eine Stereolithographiedatei mit bereitzustellen. Dateiendung STL.
      HINWEIS: In dieser Arbeit wurden hundeknochenförmige Exemplare entworfen27. Führen Sie für andere gewünschte Modelle, die gedruckt werden sollen, die Schritte 1.1.1-1.1.5 aus.
    6. Öffnen Sie ein 3D-Drucker-Slicing-Programm (siehe Materialtabelle), um Einzelschichteinstellungen zu aktivieren.
    7. Öffnen Sie die konvertierte . STL-Dateien von der Festplatte des Computers, indem Sie auf Datei > Öffnen klicken und dann zum gespeicherten navigieren. STL-Datei.
    8. Ordnen Sie die 3D-Modelle auf der Build-Plattform mit den Schaltflächen "Model Rotate" und "Model Move" so an, dass sie mindestens 1 mm zwischen alle Objekte auf der Build-Phase passen.
    9. Ändern Sie durch Eingabe von Text in die Eingabefeldfelder im rechten Bereich die in Tabelle 1 genannten Parameter.
    10. Klicken Sie auf die blaue Schaltfläche Slice in der unteren linken Ecke und speichern Sie sie als Slice-Datei mit der Erweiterung von. PWS oder eine andere vom 3D-Drucker lesbare geschnittene Datei.
    11. Klicken Sie auf die Schaltfläche Vorschau , sobald das Popupmenü angezeigt wird, und navigieren Sie mit der Bildlaufleiste auf der rechten Seite durch die geschnittenen Ebenen. Beachten Sie sorgfältig die Layer-Nummern für die letzte Basisschicht (in diesem Fall Layer 29) und die Oberflächenmusterschicht (in diesem Fall 30).
      HINWEIS: Die erste gedruckte Schicht ist "Schicht 0" und nicht "Schicht 1".
    12. Wählen Sie im rechten Bereich Einstellungen für einzelne Ebenen aus, und erweitern Sie dann das Dropdown-Menü.
    13. Ändern Sie die "Belichtungszeit(en)" nur für die Oberflächenebene (Layer 30) in 180 s, wobei alle anderen Layer-Belichtungszeiten als Standardwert beibehalten werden.
    14. Klicken Sie auf die Schaltfläche Speichern in der oberen linken Ecke, um die geschnittene Datei auf einem USB-Stick zu speichern.
  2. Bereiten Sie den 3D-Drucker vor.
    1. Stecken Sie den USB-Stick mit der geschnittenen Datei in den 3D-Drucker (siehe Materialtabelle).
    2. Nivellieren Sie vor dem 3D-Druck die Bauphase und kalibrieren Sie die Position der z-Achse auf z = 0, indem Sie der spezifischen 3D-Druckermethode folgen (manuelle oder automatische Kalibrierung gemäß dem 3D-Druckerhandbuch).
    3. Prüfen Sie die Folie des 3D-Druckerbottichs, um eine glatte und saubere Oberfläche ohne Defekte zu gewährleisten.
    4. Wenn die Bottichfolie beschädigt erscheint, ersetzen Sie sie gemäß dem Protokoll des Herstellers.

2. Herstellung von Harzen

HINWEIS: Harze werden als "Bulk Resin" für das Harz kategorisiert, das zum 3D-Druck des Originalmaterials (Basissubstrat) verwendet wird, und als "Oberflächenharz" für die Lösung, die zur Durchführung der Oberflächenfunktionalisierung (Oberflächenmuster) verwendet wird.

  1. Bereiten Sie das Bulk-Harz vor.
    1. Zur Herstellung des Bulk-Harzes wiegen Sie 0,36 g 2-(n-Butylthiocarbonothioylthio) Propansäure (BTPA) in eine saubere 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche.
    2. Mit einer Mikropipette werden 13,63 ml Polydiacrylat-Durchschnitt Mn 250 (PEGDA) Polydiacrylat in die bernsteinfarbene Durchstechflasche gegeben.
    3. 14,94 ml N, N-Dimethylacrylamid (DMAm) mit einer Mikropipette in die bernsteinfarbene Durchstechflasche geben.
    4. In einer separaten 20 ml Durchstechflasche aus sauberem Glas, die mit Aluminiumfolie bedeckt ist, fügen Sie 0,53 g Diphenyl (2,4,6-Trimethylbenzoyl) Phosphinoxid (TPO) hinzu.
    5. Fügen Sie mit einer Mikropipette 10 ml DMAm zu der 20-ml-Glasdurchstechflasche hinzu, die das TPO enthält, und verschließen Sie die Durchstechflasche mit der Kappe.
    6. Homogenisieren Sie die Lösung von TPO und DMAm gründlich, indem Sie mit einem Wirbelmischer für 10 s mischen und dann ein Standard-Laborschallbad (~ 40 kHz) verwenden, um die Mischung für 1 min bei Raumtemperatur zu beschallen (Abbildung 1C, links).
    7. Übertragen Sie die Lösung mit einer Glaspipette und einer Gummipipettenbirne von der 20-ml-Glasdurchstechflasche auf die 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche und verschließen Sie die Durchstechflasche mit einer Kappe und einer formbaren Kunststofffolie.
    8. Schütteln Sie vorsichtig die 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche und legen Sie die Durchstechflasche dann 2 Minuten lang bei Raumtemperatur in ein Schallbad, um sicherzustellen, dass die Mischung homogen ist (Abbildung 1C, zweite von links).
    9. Legen Sie die versiegelte bernsteinfarbene Durchstechflasche, die mit dem Bulk-Harz gefüllt ist, zur späteren Verwendung in einen Abzug.
  2. Bereiten Sie das Oberflächenharz vor.
    1. Zum Vorbereiten des Oberflächenharzes wiegen Sie 0,50 g TPO in eine saubere 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche.
    2. Mit einer Mikropipette 3,56 ml DMAm und 11,98 ml N, N-Dimethylformamid (DMF) in die 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche geben und die Durchstechflasche mit einer kappenförmigen Kunststofffolie verschließen.
    3. Schütteln Sie die versiegelte bernsteinfarbene Durchstechflasche vorsichtig und beschallen Sie sie 1 min bei Raumtemperatur mit einem Standard-Labor-Schallbad (~ 40 kHz).
    4. Zu einer sauberen 20 ml Durchstechflasche, die mit Folie bedeckt ist, fügen Sie 0,29 g 1-Pyrenmethylmethacrylat (PyMMA) hinzu.
    5. Geben Sie 10 ml DMF in die 20 ml Durchstechflasche und verschließen Sie die Durchstechflasche mit einer Kappe mit einer Mikropipette.
    6. Schütteln Sie das 20-ml-Glasfläschchen vorsichtig und beschallen Sie es in Schritten von 1 min bei Raumtemperatur mit einem Standard-Laborschallbad, wobei Sie zwischen den Zyklen visuell prüfen, bis das PyMMA vollständig aufgelöst zu sein scheint (Abbildung 1C, dritter und vierter von links).
    7. Übertragen Sie die Lösung mit einer Glaspipette und einer Gummipipettenbirne von der 20-ml-Glasdurchstechflasche auf die 50-ml-Durchstechflasche mit Bernstein.
    8. Schütteln Sie die 50 ml bernsteinfarbene Durchstechflasche vorsichtig und legen Sie die Durchstechflasche dann 2 Minuten lang bei Raumtemperatur in ein Schallbad, um sicherzustellen, dass die Mischung homogen ist (Abbildung 1C, rechts und zweite von rechts).
    9. Legen Sie die versiegelte bernsteinfarbene Durchstechflasche, die mit dem Bulk-Harz gefüllt ist, zur späteren Verwendung in einen Abzug.
      VORSICHT: Einige Chemikalien, die in diesem Protokoll verwendet werden, können schwere Haut- und Augenreizungen und andere Toxizität für Mensch und Umwelt verursachen. Stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsprotokolle in Übereinstimmung mit dem Sicherheitsdatenblatt und den lokalen Vorschriften befolgt werden.

3.3D Druck und Oberflächenfunktionalisierung

  1. Führen Sie den 3D-Druck des Basissubstrats durch, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
    1. Gießen Sie das zuvor vorbereitete Bulk-Harz (Schritt 2.1) in den 3D-Druckerbottich (siehe Materialtabelle), um sicherzustellen, dass die Lösung die Bodenfolie im Bottich ohne Luftblasen oder andere Inhomogenitäten vollständig bedeckt, und schließen Sie dann das 3D-Druckergehäuse.
    2. Navigieren Sie über den 3D-Druckerbildschirm auf dem USB-Stick und wählen Sie die geschnittene Modelldatei aus, indem Sie auf die Schaltfläche Dreieck Play klicken, um den 3D-Druckvorgang zu starten.
    3. Wenn Sie den Bildschirm des 3D-Druckers beobachten, notieren Sie sich sorgfältig die Anzahl der gedruckten Schichten und halten Sie das Druckprogramm an , indem Sie während des 3D-Drucks der letzten Schicht des Basissubstrats (in diesem Fall Schicht 29) die Taste Pause drücken.
    4. Entfernen Sie die gesamte Bauphase und spülen Sie die Baustufe und das gedruckte Material vorsichtig mit undenaturiertem 100% Ethanol aus einer Waschflasche für 10 s, um Restharz aus dem 3D-gedruckten Material und der Bauphase zu entfernen.
    5. Trocknen Sie das 3D-gedruckte Material und die Baustufe vorsichtig mit Druckluft, um Restethanol zu entfernen, und setzen Sie dann die Baustufe wieder in den 3D-Drucker ein.
    6. Entfernen Sie den Bottich aus dem 3D-Drucker und gießen Sie das restliche Bulk-Harz in eine bernsteinfarbene Durchstechflasche. Lagern Sie die Durchstechflasche an einem kühlen, dunklen Ort.
    7. Verwenden Sie unvergälltes 100% Ethanol aus einer Waschflasche und spülen Sie den Bottich vorsichtig ab, um Restharz zu entfernen.
    8. Trocknen Sie den Bottich mit einem Druckluftstrom, um Restethanol zu entfernen, und setzen Sie den Bottich wieder in den 3D-Drucker ein.
  2. Führen Sie die Oberflächenfunktionalisierung durch.
    1. Gießen Sie das zuvor vorbereitete Oberflächenharz (Schritt 2.2) in den 3D-Druckerbottich, um sicherzustellen, dass die Lösung die Bodenfolie ohne Luftblasen oder andere Inhomogenitäten vollständig bedeckt, und schließen Sie dann das 3D-Druckergehäuse.
    2. Setzen Sie das 3D-Druckprogramm fort, indem Sie auf die Schaltfläche " Dreieck Wiedergabe " klicken, um die vorgegebene Oberflächenstrukturierung zuzulassen.
    3. Sobald das Druckprogramm abgeschlossen ist, entfernen Sie die Baustufe aus dem 3D-Drucker und waschen Sie sie 10 s mit undenaturiertem 100% Ethanol mit einer Waschflasche, um Restoberflächenharz aus dem 3D-gedruckten Material und der Bauphase zu entfernen.
    4. Trocknen Sie das 3D-gedruckte Material vorsichtig mit Druckluft (Durchfluss, 30 l/min) und bauen Sie die Stufe auf, um das Restethanol zu entfernen.
    5. Während Sie noch an der Bauphase befestigt sind, härten Sie das Material nach, indem Sie die gesamte Baustufe umkehren und für 15 Minuten unter 405 nm Licht stellen.
    6. Entfernen Sie das oberflächenfunktionalisierte 3D-gedruckte Material vorsichtig mit einer dünnen Metallplatte oder einem Farbschaber aus der Bauphase.
    7. Analysieren Sie ohne weitere Anpassungen die mechanischen und Oberflächeneigenschaften des Materials.

4. Analyse von 3D-gedruckten Proben

  1. Führen Sie die Fluoreszenzanalyse durch.
    1. Platzieren Sie das 3D-gedruckte, oberflächenfunktionalisierte Material unter einer 312-nm-UV-Gasentladungslampe (siehe Materialtabelle) an einem dunklen Ort, um sicherzustellen, dass die oberflächenfunktionalisierte Schicht nach oben zeigt.
    2. Schalten Sie die Lampe ein, um die Oberflächenschicht kontinuierlich mit 312 nm Licht zu bestrahlen und das Fluoreszenzmuster zu beobachten. Machen Sie bei Bedarf Fotos.
      HINWEIS: Dies ist ein visueller Inspektionsschritt; Zeit kann nicht angegeben werden. Die Bestrahlung erfolgt kontinuierlich, während die Beobachtung stattfindet.
    3. Legen Sie das 3D-gedruckte, oberflächenfunktionalisierte Material in einen Fluoreszenz-Imager. Erfassen Sie mit der mitgelieferten Software digitale Fluoreszenzbilder der oberen und unteren Oberfläche mit der Trans-UV-Gasentladungsquelle (302 nm) (siehe Materialtabelle).
  2. Führen Sie die Zugeigenschaftsanalyse durch.
    1. Messen Sie das Messgerät mit und Dicke der Hundeknochenproben (in Millimetern).
    2. Legen Sie die hundeknochenförmigen Proben zwischen die Griffe einer Zugprüfmaschine und stellen Sie sicher, dass das 3D-gedruckte Material gleichmäßig in einem Abstand platziert wird, der im Normdokument festgelegt ist, in diesem Fall 50,3 mm.
    3. Legen Sie das Zugversuchsprogramm fest; In diesem Fall wurde die Hubgeschwindigkeit auf 1,1 mm/min eingestellt, die Anzahl der Proben auf 10 pro Sekunde.
    4. Starten Sie das Programm, um Kraftdaten (N) im Vergleich zu Reisedaten (mm) zu erfassen.
    5. Sobald das Beispiel vorbereitet ist, stoppen Sie den Computer, und speichern Sie die Daten als spaltengetrennte Daten mit einem . Dateiendung CSV.
    6. Konvertieren Sie die Kraftdaten (N) in Spannung (MPa), indem Sie jeden Punkt der Kraftsäule durch den Messbereich dividieren (mm2, erhalten durch Multiplikation der Messgerätebreite mit der Dicke des Messgeräts).
    7. Wandeln Sie die Fahrdaten in Dehnung (%) um, indem Sie die Fahrdaten an jedem Punkt nach der Dickenlänge (50,3 mm) tauchen und jedes Ergebnis mit 100 multiplizieren.
    8. Berechnen Sie die Zähigkeit (MJ/m3) unter Verwendung der Trapezregel, um die Fläche unter der Spannungs-Dehnungs-Kurve zu berechnen.
    9. Berechnen Sie den Elastizitätsmodul (MPa), indem Sie den Gradienten der Spannung (MPa) im Vergleich zu Dehnungskurve (%) im elastischen Bereich, in dieser Arbeit von 1%-2% Dehnung27.

Ergebnisse

Das allgemeine Verfahren für den 3D-Druck und die Oberflächenfunktionalisierung ist in Abbildung 1 dargestellt. In diesem Protokoll wird ein Netzwerkpolymer zunächst über einen photoinduzierten RAFT-Polymerisationsprozess synthetisiert15, wobei ein 3D-Drucker verwendet wird, um ein Objekt in einem Schicht-für-Schicht-Prozess herzustellen (Abbildung 1A). Das Massenharz, das zur Bildung des Polymernetzwerks verwendet wird, ent...

Diskussion

Das vorliegende Protokoll demonstriert ein Verfahren zum 3D-Druck von Polymerwerkstoffen mit unabhängig abstimmbaren Schütt- und Grenzflächeneigenschaften. Das Verfahren wird in einem zweistufigen Verfahren durchgeführt, indem das Basissubstrat in 3D gedruckt und anschließend die Oberflächenschicht des 3D-gedruckten Objekts mit einem anderen Funktionsharz, aber mit derselben 3D-Druckhardware modifiziert wird. Während die in dieser Arbeit verwendeten 3D-Drucker so konzipiert sind, dass sie vernetzte Materi...

Offenlegungen

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Danksagungen

Die Autoren bestätigen die Finanzierung durch den Australian Research Council und UNSW Australia über das Discovery Research-Programm (DP210100094).

Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
1-pyrenemethyl methacrylateSigma-Aldrich765120
2-(n-butylthiocarbonothioylthio) propanoic acidBoron MolecularBM1640
3D PrinterPhotonMono Slight intensity at digital mask surface = 0.81 mW cm-2
3D Printing Slicing SoftwarePhotonPhoton Workshop V2.1.19
40 kHz Ultrasonic BathThermolineUB-410
Compressed AirCoregas230142Tank operating at 130 kPa
Computer Assisted Design ProgramSpaceClaimSpaceClaim Design Manager V19.1
Diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxideSigma-Aldrich415952
Ethanol Undenatured 100% ARChemSupplyEL043-2.5L-P
Ethanol Wash bottleRowe ScientificAZLWGF541P
Fluorescence ImagerBio-RadGel Doc XR+Uses a 302 nm gas discharge lamp as emission source
Light intensity power meterNewport843-R
Mechanical TesterMark–10ESM3031 kN force gauge M5–200
Moldable plastic filmParafilmPM992
N,N-dimethlacrylamideSigma-Aldrich274135
N,N-Dimethylformamide HPLCChemSupplyLC1051-G4L
Poly(ethylene glycol) diacrylate average Mn 250Sigma-Aldrich475629
Post Cure LampLeoway‎B0869BY79P60 W 405 nm
Standards documentASTMASTM Standard D638-14
Tensile testing machineMark-10
UV LightFisher Scientific11-982-306 W Spectroline E-Series, Gas discharge lamp
Vortex Mixer IKA Vortex 3LabTek3340000I

Referenzen

  1. 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).
  2. Lewis, J. A. Direct ink writing of 3D functional materials. Advanced Functional Materials. 16 (17), 2193-2204 (2006).
  3. Kumar, S. Selective laser sintering: A qualitative and objective approach. JOM. 55 (10), 43-47 (2003).
  4. Jung, K., et al. Designing with light: Advanced 2D, 3D, and 4D materials. Advanced Materials. 32 (18), 1903850 (2020).
  5. Lim, K. S., et al. Fundamentals and applications of photo-cross-linking in bioprinting. Chemical Reviews. 120 (19), 10662-10694 (2020).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Zhang, J., Xiao, P. 3D printing of photopolymers. Polymer Chemistry. 9 (13), 1530-1540 (2018).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Yao, X., Song, Y., Jiang, L. Applications of bio-inspired special wettable surfaces. Advanced Materials. 23 (6), 719-734 (2011).
  13. Bose, S., Robertson, S. F., Bandyopadhyay, A. Surface modification of biomaterials and biomedical devices using additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 66, 6-22 (2018).
  14. Wang, X., et al. i3DP, a robust 3D printing approach enabling genetic post-printing surface modification. Chemical Communications. 49 (86), 10064-10066 (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Chiefari, J., et al. Living free-radical polymerization by reversible addition−Fragmentation chain transfer: The RAFT process. Macromolecules. 31 (16), 5559-5562 (1998).
  20. Fromel, M., et al. User-friendly chemical patterning with digital light projection polymer brush photolithography. European Polymer Journal. 158, 110652 (2021).
  21. Fromel, M., Li, M., Pester, C. W. Surface engineering with polymer brush photolithography. Macromolecular Rapid Communications. 41 (18), 2000177 (2020).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. ASTM International. ASTM Standard D638-14: Standard Test method for tensile properties of plastics. ASTM International. , (2014).
  28. 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).
  29. 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).

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