Ensamblaje de modelo molecular interactivo con impresión 3D

Resumen

El modelado físico de sistemas microscópicos ayuda a obtener información difícil de obtener por otros medios. Para facilitar la construcción de modelos moleculares físicos, demostramos cómo se puede utilizar la impresión 3D para ensamblar modelos macroscópicos funcionales que capturan cualidades de los sistemas moleculares de una manera táctil.

Resumen

Con el crecimiento en la accesibilidad de la impresión 3D, ha habido una creciente aplicación e interés en los procesos de fabricación aditiva en laboratorios químicos y educación química. Basándonos en la larga y exitosa historia del modelado físico de sistemas moleculares, presentamos modelos selectos junto con un protocolo para facilitar la impresión 3D de estructuras moleculares que son capaces de hacer más que representar la forma y la conectividad. Los modelos ensamblados como se describe incorporan aspectos dinámicos y grados de libertad en estructuras de hidrocarburos saturados. Como ejemplo representativo, el ciclohexano se ensambló a partir de piezas impresas y terminadas utilizando diferentes termoplásticos, y los modelos resultantes conservan su funcionalidad en una variedad de escalas. Las estructuras resultantes muestran la accesibilidad del espacio de configuración coherente con los cálculos y la literatura, y las versiones de estas estructuras se pueden utilizar como ayudas para ilustrar conceptos que son difíciles de transmitir de otras maneras. Este ejercicio nos permite evaluar protocolos de impresión exitosos, hacer recomendaciones prácticas para el montaje y esbozar principios de diseño para el modelado físico de sistemas moleculares. Las estructuras, procedimientos y resultados proporcionados proporcionan una base para la fabricación y exploración individual de la estructura molecular y la dinámica con impresión 3D.

Introducción

La construcción de estructuras moleculares ha sido durante mucho tiempo un aspecto crítico para el descubrimiento y validación de nuestra comprensión de la forma y las interacciones entre moléculas. La construcción del modelo físico fue un aspecto motivador en ladeterminación de la estructura de la hélice en las proteínas por Pauling et al.¹, las estructuras primarias de hidrato de clatrato de agua^2,3, y la estructura de doble hélice del ADN por Watson y Crick⁴. En el relato publicado de James Watson sobre la estructura del ADN, detalla muchas de las luchas que se enfrentaron en tal construcción modelo, como envolver un alambre de cobre alrededor de átomos de carbono modelo para hacer átomos de fósforo, suspensiones precariamente delicadas de átomos, y hacer recortes de cartón de bases mientras espera en recortes de estaño de la tienda de máquinas⁵. Tales luchas en la construcción de modelos se han subsanado en gran medida con el modelado computacional aumentando o suplantando por completo los enfoques físicos, aunque los modelos físicos siguen siendo un aspecto esencial en la educación química y la experimentación^6,,7,,8,,9.

Desde alrededor de 2010, la impresión 3D ha experimentado un crecimiento significativo en la adopción como una herramienta para el diseño creativo y la fabricación. Este crecimiento ha sido impulsado por la competencia y la disponibilidad de una variedad de impresoras de modelado de deposición fundida (FDM) de una serie de nuevas empresas enfocadas en la comercialización amplia de la tecnología. Con la creciente accesibilidad, se ha producido un crecimiento simultáneo en la aplicación de estas tecnologías en la educación química y entornos experimentales de laboratorio^{10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21}. Durante este período de tiempo, tanto los repositorios de la comunidad comercial como los abiertos para modelos 3D, como NIH 3D Print Exchange^22,han hecho que los sistemas de modelos para la impresión 3D sean más accesibles, aunque muchos de estos modelos tienden a centrarse en moléculas de destino específicas y proporcionan estructuras estáticas simples con énfasis en la conectividad y el tipo de enlace. Grupos atómicos y moleculares más generales pueden permitir construcciones más creativas^12,,23, y hay una necesidad de modelos que pueden permitir la creación de estructuras generales con retroalimentación táctil, dinámica y sensible a la fuerza para las estructuras moleculares.

Aquí, presentamos componentes de la estructura del modelo molecular que se pueden imprimir y ensamblar fácilmente para formar modelos moleculares dinámicos de hidrocarburos saturados. Las estructuras de componentes forman parte de un kit más amplio que hemos desarrollado para actividades de extensión y divulgación para nuestro laboratorio y universidad. Las piezas proporcionadas han sido diseñadas para ser imprimibles con una variedad de tipos de filamentos de polímero en impresoras 3D FDM. Presentamos resultados de modelos utilizando diferentes polímeros y técnicas de acabado de impresoras FDM de extrusora simple y doble. Estos componentes son escalables, lo que permite la fabricación de modelos adecuados tanto para la investigación personal como para la demostración en entornos de conferencias más grandes.

El objetivo principal de este informe es ayudar a otros investigadores y educadores a traducir los detalles de la estructura química y el conocimiento de maneras más físicas con la impresión 3D. Para ello, destacamos una aplicación de ejemplo ensamblando y manipulando el ciclohexano a diferentes escalas. Las conformaciones del sistema de anillos de seis miembros son un tema central en los cursos introductorios de Química Orgánica^24,y estos conformadores son un factor en la reactividad de las estructuras de anillo y azúcar^25,,26,,27. Los modelos impresos adoptan de forma flexible los conformadores de llavero^24,y la fuerza necesaria para las vías de interconversión de anillos se puede explorar directamente y evaluar cualitativamente a mano.

Protocolo

1. Preparación de archivos de modelo para impresión 3D

NOTA: El gran número de impresoras 3D y el software de impresión libre y comercial hacen direcciones exactas más allá del alcance de este artículo. El proceso de protocolo general y las recomendaciones se proporcionan aquí, con consideraciones específicas dadas para los modelos representativos que se muestran con el software listado y las impresoras 3D (ver Tabla de materiales). Las instrucciones específicas del fabricante específicas de la combinación de impresoras y software de corte de un lector tienen prioridad sobre las recomendaciones proporcionadas.

1. Descargue los archivos de estereolitografía suplementaria (.stl) asociados con este artículo (Archivos complementarios S1-u2012S5). Cargue estos archivos en el equipo con el programa de segmentación de datos.
2. Importe uno de los archivos C_atom_sp3, H_atom o C-C_bond en el programa de segmentación de datos. Utilice el formato milimétrico para las unidades si hay una opción disponible. En el software, haga clic en el botón Importar del panel Modelos de la ventana principal o seleccione el comando Importar modelos en el menú desplegable Archivo. Seleccione el archivo de modelo adecuado en el explorador de archivos resultante.
   1. Importe archivos de H_atom_dual_bottom y H_atom_dual_top para impresiones de extrusora dual del átomo de hidrógeno. Alinee, agrupe y asigne los modelos de componentes al extrusor relevante en función del color del filamento de destino.
3. Escale el modelo importado al tamaño deseado. Para ello, haga doble clic en el modelo gráfico de la pantalla principal o en el modelo de la lista en el panel Modelos de la ventana principal. Esta acción abre un panel de edición de modelos que permite la traslación, rotación y escalado del modelo de destino. Los modelos representativos se presentan para la escala 50%, 100%, 200% y 320% para todas las piezas interconectadas.
   1. Active estructuras de soporte para modelos C_atom_sp3 con escalas superiores al 100%. Las estructuras de soporte se pueden utilizar, pero generalmente no son necesarias para todos los demás modelos.
   2. Active una estructura de balsa o ala para modelos de escala 100% y más pequeña. Estas estructuras no deben ser necesarias para la mayoría de los modelos más grandes, ya que la base plana tendrá suficiente contacto con la superficie de la cama para permanecer fija en su lugar. Las balsas ayudan a proporcionar una primera capa bien adherida para una impresión 3D, por lo que si hay alguna dificultad en la estabilidad de la primera capa impresa a cualquier escala, la activación de una estructura de balsa podría conducir a impresiones más exitosas a expensas del material necesario para la estructura de la balsa.
4. Duplicar modelos para generar una matriz de modelos como desee seleccionando la opción Duplicar modelos en el menú Edición e introduciendo el número de piezas del modelo en el cuadro de diálogo resultante. Organice los modelos cerca del centro de la plataforma de compilación haciendo clic en el botón Centro y organizar en el panel Modelos de la ventana principal, o seleccionando la opción Centro y organizar en el menú desplegable Editar.
   NOTA: Consulte la Figura 1 para ver un ejemplo de disposición de seis modelos de C_atom_sp3 impresos con ácido poliláctico (PLA). Es más seguro imprimir una sola pieza a la vez, aunque imprimir varias partes pequeñas del mismo color suele ser más eficiente en el tiempo. La calidad de impresión de las piezas en matrices es a menudo menor debido a la necesidad de más puntos de retracción de filamentos entre modelos. Las impresiones de matrices de modelos también tienen una mayor probabilidad de fallo, ya que una pieza caída durante la impresión puede interferir con la impresión de otras piezas.

Figura 1: Los átomos o enlaces de colores similares se pueden imprimir como matrices. Para aumentar la eficiencia de impresión a un ligero costo de calidad, las piezas de color similar se imprimen fácilmente en matrices. Aquí, seis átomos de carbono PLA se imprimen juntos, cada uno colocado en una pequeña estructura de balsa con una estructura de ala de esquematización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Establezca la configuración de procesamiento de modelo adecuada para las impresiones de destino mediante Agregar o editar configuración de proceso en el panel Procesos de la ventana principal.
   NOTA: El software utilizado tiene ajustes de procesamiento predeterminados seleccionables para PLA, ABS y otros termoplásticos disponibles al agregar un nuevo proceso o editar un proceso haciendo clic respectivamente en Agregar o Editar configuración de proceso desde el panel Procesos de la ventana principal. A continuación se ofrecen ajustes y razones específicas para las partes del modelo molecular proporcionadas.
   1. Establezca el valor de relleno del modelo entre 15% y 25%. Esto utilizará menos filamento y resultará en partes más ligeras, pero las estructuras ensambladas finales serán lo suficientemente fuertes como para sobrevivir a la manipulación física.
   2. Utilice la configuración de relleno del 100% para las regiones de conectores de las piezas del modelo de C_bond C y H_atom si es posible o según sea necesario para aumentar la durabilidad de las pestañas del conector.
   3. Elija un grosor de capa de impresión de 0,2 mm o menor para mantener los detalles de impresión.
   4. Establezca la Velocidad de la Primera Capa en un valor entre 25 y 50% en la pestaña Capa de la configuración del proceso. Una primera capa impresa lentamente mejorará la adhesión al lecho de impresión y dará como resultado impresiones 3D más exitosas.
   5. Ajuste la temperatura del extrusor de la impresora y del lecho de la impresora a los valores recomendados para el material de filamento de impresora elegido. Las temperaturas proporcionadas son recomendaciones de punto de partida.
      1. Para PLA, establezca Extrusor a 215 oC; Cama no hay calefacción.
      2. Para el tereftalato de polietileno glicol modificado (PETG) conjunto Extrusor a 235 oC, y la cama a 80 oC.
      3. Para acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) conjunto Extrusor a 245 oC y cama a 110 oC.
   6. Para C_atom_sp3 piezas del modelo, utilice dos vaciados de contorno/perímetro con una dirección de contorno "Outside-In" para minimizar la distorsión de impresión en la parte inferior de la esfera. Estas opciones están disponibles en la pestaña Capa de la ventana Configuración del proceso. Para todas las demás piezas, se recomienda la dirección de contorno "Inside-Out" para un acabado superficial más limpio.
   7. Si realiza una impresión de extrusora doble de los modelos de H_atom_dual_bottom y H_atom_dual_top alineados, active opcionalmente una opción de escudo de ooze. La cortadora generará una geometría de pared delgada alrededor del modelo que atrapará cualquier polímero que gotee de la punta del extrusor inactiva, pero aún caliente.
6. Divida el modelo en capas de impresión para generar una trayectoria de herramienta de código G. Haga clic en el botón Preparar para imprimir! en la ventana principal o seleccione la opción Preparar para imprimir en el menú desplegable Editar.

2. Preparación de la impresora para la impresión de piezas

1. Recubrir la superficie de la cama de la impresora con cinta de pintor azul para camas sin calefacción. Recubrir la superficie de la cama de la impresora con cinta de pintor azul y una capa inferior de cinta de poliimida para camas calentadas.
2. Aplique una fina capa de pegamento pegado a la cinta del pintor azul. El polímero de palo de pegamento mejorará la adhesión de impresión a la superficie del lecho.
3. Coloque o cierre una carcasa ventilada sobre la cama de la impresora. Un gabinete minimiza las corrientes de aire que pueden perturbar el recocido de impresión.
   1. Para PLA, abra cualquiera/todos los puertos de ventilación como se prefiere una refrigeración rápida. Encienda un ventilador de cama durante la impresión si es posible.
   2. Para PETG, abra un número limitado de puertos de ventilación como se prefiere la refrigeración gradual. No es necesario disponer de un ventilador de cama durante la impresión.
   3. Para ABS, abra un número mínimo de puertos de ventilación, ya que se prefiere una refrigeración muy gradual. Apague los ventiladores de la cama durante la impresión.
4. Una vez preparada la impresora, haga clic en el botón "Comenzar a imprimir a través de USB" para enviar el código G a la impresora conectada e iniciar el proceso de impresión.

3. Acabado y montaje de estructuras modelo

1. Retire las piezas de la cama de la impresora. En el caso de impresiones de lecho calentado, retire las piezas después de que la cama se haya enfriado para evitar distorsionar el modelo durante la separación.
2. Retire las estructuras de la balsa o del ala de la base de las piezas si se utilizan. Frote la base de la pieza del modelo con papel de lija de grano medio a fino para eliminar los filamentos de la balsa que estén unidos.
3. Lijar la base de las piezas del modelo C_atom_sp3 con papel de lija medio (120 grano) a muy fino (320 granos) para eliminar defectos superficiales. Suaviza la superficie con el papel de lija de grano muy fino. Pulir la superficie al acabado deseado con un paño de pulido o una rueda tampón a baja revolución por minuto.
   NOTA: Por ejemplo, una herramienta Dremel con una rueda tampón de 0,5 pulgadas de diámetro establecida en 10.000 rpm se puede utilizar para pulir, teniendo cuidado de no calentar excesivamente la impresión y causar defectos de superficie.
   1. PLA: Las impresiones suelen tener un acabado ligeramente brillante después de la impresión, como se muestra en los paneles de la Figura 2. Este acabado se ve empañado por un lijado grueso, pero el acabado brillante se puede restaurar con pulido.
   2. PETG: Las impresiones suelen tener un acabado ligeramente brillante que se puede lijar y restaurar con pulido como con PLA.
   3. ABS: Las impresiones suelen tener un acabado mate o sólo ligeramente brillante después de la impresión(Figura 3A). Un acabado de alto brillo (Figura 3B) se puede lograr sumergiendo por separado las piezas en un baño de acetona para 1-u20122 s y colocándolas en un área ventilada hasta que la acetona se haya evaporado y la superficie se haya solidificado dentro típicamente de 12-u201224 h.

ADVERTENCIA: La acetona es inflamable y debe aplicarse con moderación en una campana de humos o en un área muy bien ventilada. El ABS se disuelve en acetona, por lo que las partes con defectos de separación de la capa debido a un recocido deficiente no deben tratarse con acetona líquida. La acetona introducirá los modelos a través de estos defectos y disolverá el relleno del modelo (Figura 3C). El pulido con vapor de acetona es un proceso más lento que resultará en un efecto similar, aunque se deben tomar precauciones de seguridad dada la inflamabilidad de la acetona.

Figura 2: Las impresiones de extrusoras dobles pueden ser más refinadas visualmente. (A) Las impresiones de átomos de hidrógeno de modelo de extrusora doble son visualmente más cohesivas que (B) todas las impresiones de átomos de hidrógeno modelo blanco. (C) Cuando se conectan entre sí para formar anillos de ciclohexano completos, los modelos PLA ensamblados son funcionalmente idénticos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Los modelos ABS se pueden procesar químicamente para un acabado brillante. Las impresiones del modelo ABS (A) tienden a tener un aspecto más difuso o mate, pero (B) después de tratar químicamente las piezas con una breve inmersión en acetona obtienen un acabado de alto brillo. (C) Si la acetona entra en el interior de la impresión a través de defectos de separación de capa, la acetona disolverá el modelo de adentro hacia afuera, haciendo que se contraiga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. Inserte los extremos del conector de C-C_bond y H_atom piezas del modelo en zócalos en C_atom_sp3 piezas del modelo de acuerdo con la topología de unión deseada. Apriete las piezas del modelo hasta que se oigan un clic audible. Una vez conectado, el enlace único debe girar libremente alrededor de esta conexión sin desmoronarse.
   NOTA: El ajuste de conexión es estrecho, por lo que esto puede requerir una fuerza significativa para los modelos con escalado superior al 100%. Las piezas proporcionadas no están diseñadas para separarse después de conectarlas entre sí, pero se pueden separar con una fuerza aplicada muy significativa. La rotación sobre un enlace conectado es una característica deseada para las piezas y modelos proporcionados. La rotación de bloqueo requiere un modelo de átomo (un carbono hibridado sp2, por ejemplo) con una estructura fija en el zócalo de conexión que inserta entre los espaciados de las pestañas en el extremo del modelo de unión.
5. Montar todas las piezas impresas de acuerdo con la estructura molecular deseada. Saturar todas las piezas C_atom_sp3 modelo rellenando cualquier zócalo abierto con una pieza de modelo H_atom. Para un anillo como el ciclohexano, cierre el anillo con una pieza de modelo C-C_bond entre las piezas del modelo C_atom_sp3.

Resultados

El protocolo proporcionado abarca una variedad de opciones potenciales para la construcción de modelos moleculares interactivos. Como ejemplo básico y unificador para un ensamblaje molecular utilizando estas piezas modelo, hemos optado por ensamblar estructuras interactivas de ciclohexano a una variedad de escalas. La Figura 2 muestra las partes necesarias para esta estructura: seis átomos C, seis enlaces C-C y doce átomos H. Estas impresiones específicas se elaboraron utilizando ambas impresoras enumeradas en la Tabla de materiales. La impresora de extrusora dual más costosa permite la producción de componentes de doble color; aquí las estructuras de átomos de hidrógeno de dos colores con el cambio de color en el punto medio del enlace (Figura 2A). Los hidrógenos monocolores de la Figura 2B imprimen aproximadamente un 50o u201260% menos de tiempo debido a la falta de una estructura de escudo de olor y la falta de retracciones de polímeros en el cambio entre extrusoras activas. Las estructuras de ciclohexano ensambladas (Figura 2C) son funcionalmente equivalentes, aunque las impresiones de extrusora dual tienden a parecer moderadamente más refinadas.

Los modelos PLA de la Figura 2 tienen un acabado razonablemente agradable que es más refinado que los modelos ABS directamente de la impresora (Figura 3A). El tratamiento químico de los modelos ABS con acetona da un acabado liso y de alto brillo que casi le da a la superficie un aspecto húmedo (Figura 3B). Este tipo de acabado puede ser problemático, especialmente si los modelos ABS no se recocidon bien. Los modelos grandes impresos con ABS son propensos a defectos de separación de capas. Los defectos de separación de capas ocurren cuando la capa anterior se enfría antes de que el extrusor pueda atravesar para colocar la siguiente capa. Es de vital importancia para las impresiones ABS grandes que el entorno alrededor de la cama de calefacción de la impresora permanezca a una temperatura uniforme y cálida para reducir la velocidad de enfriamiento. Si una impresión con un defecto de capa se sumerge en acetona, la acetona entrará en el modelo y disolverá la estructura de soporte interior. Esto colapsará el modelo desde el interior como se muestra en la Figura 3C.

Una apariencia visualmente distinta es secundaria a la funcionalidad de las estructuras del modelo. Los conectores fueron diseñados para permitir la rotación libre sobre enlaces individuales. Para probar su utilidad en diferentes sistemas, se imprimieron cuatro conjuntos diferentes de tamaños de piezas, con un diámetro de átomo de carbono de 17,5 mm, 35 mm, 70 mm y 112 mm. Las estructuras de ciclohexano ensambladas (Figura 4) fueron capaces de flexionar, distorsionar y adoptar los conformes relevantes de la misma manera. El más pequeño de estos modelos era el más propenso a imprimir defectos, por lo que este tamaño potencialmente es demasiado pequeño y no se recomienda sin ajustar el tamaño relativo de las piezas. Uno de los principales beneficios de las impresiones más pequeñas es la velocidad de impresión. Una matriz de seis de los átomos de carbono más pequeños impresos en alrededor de 2 h, en comparación con las 10 h requeridas para un solo átomo de carbono del tamaño más grande. Aunque son lentos para imprimir, los modelos grandes son potencialmente más eficaces para la comunicación en entornos de conferencias donde sería difícil ver el movimiento de una estructura pequeña desde la distancia.

Figura 4: Los modelos son funcionales en una variedad de escalas. Para ilustrar cómo se pueden imprimir los modelos para diferentes propósitos, los modelos de ciclohexano se ensamblaron a cuatro escalas diferentes y todos conservan la misma funcionalidad. Los átomos de carbono de los más grandes son más grandes que un softball (112 mm de diámetro), mientras que el ciclohexano ensamblado del más pequeño podría caber dentro de un softbol. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El aspecto dinámico es uno de los atributos clave que separan estas estructuras de otros modelos moleculares imprimibles. Dado que los átomos pueden girar fácilmente en relación entre sí, las estructuras pueden distorsionarse para encajar en los diferentes conformadores representativos del ciclohexano. La Figura 5 muestra la silla, el barco y la estructura de estado de transición para la interconversión entre sus respectivos espacios de configuración. Este punto de estado de transición tiene cuatro átomos de carbono etiquetados en una geometría casi plana^24,28, la misma estructura de estado de transición que se logra haciendo cálculos B3LYP/6-311+G(2d,p)²⁹. Siguiendo el mismo estado de transición, el movimiento de frecuencia imaginario ligeramente girando 2 hacia arriba y 3 hacia abajo ajustará el modelo en el paisaje del conformador del barco, mientras que retorcer ligeramente 2 hacia abajo y 3 hacia arriba devolverá la estructura al conformador de la silla.

Figura 5: Los conformadores de ciclohexano son totalmente accesibles. Como los átomos pueden girar alrededor de sus enlaces, los modelos pueden adoptar la silla cerrada y formas de barco más libres de conformación. El estado de transición entre estas formas implica cuatro átomos de carbono casi coplanares en el anillo. Ligeramente girando 2 hacia arriba con 3 hacia abajo deslizará el modelo al conformador del barco, mientras que girar 2 hacia abajo con 3 hacia arriba devolverá el modelo al conformador de la silla. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Las estimaciones de energía libre de punto de estado (Tabla suplementaria S1) de B3LYP/6-311+G(2d,p) cálculos de puntos de estado optimizados (Archivos Suplementarios S6-u2012S9) dan una brecha entre los conformadores de torsión-barco y barco de 0.8 kcal/mol, que está muy cerca de la energía térmica a 298.15 K. Esto sugiere que la conversión entre estos debe muestrear casi libremente. La separación entre el conformador de la silla y el estado de transición de interconversión es más de diez veces este valor, lo que indica que la silla debe estar bloqueada de forma conformal en comparación. Esto se ilustra en la Figura 6,que muestra la energía media estimada del conformador cuando cada ubicación del átomo de carbono relativa al plano del anillo se proyecta latitudinalmente sobre una esfera en el transcurso de un cálculo de dinámica molecular de fase gaseosa^30,,31. En el conformador de la silla de la izquierda, la energía es baja cuando los átomos de carbono se desplazan por encima o por debajo del plano de anillo, pero aumenta drásticamente si se desplazan para alinearse con el plano de anillo. En el conformador del barco, la energía del conformador es relativamente baja cuando los carbonos están en el avión del anillo (estado de lancha giratoria), y el conformador del barco más desplazado no está en una energía drásticamente más alta. Estos paisajes de configuración se pueden explorar con los modelos de ciclohexano impreso en 3D, con el conformador de la silla sólo es capaz de vibrar localmente, mientras que el conformador del barco puede ondular sin problemas de un par de átomos de carbono opuestos al siguiente.

Figura 6: El comportamiento del modelo coincide con los cálculos. En los estados de la silla y el conformador de barcos, el desplazamiento latitudinal de los átomos de carbono sobre el plano del anillo en el transcurso de un cálculo de dinámica molecular se puede proyectar sobre la superficie de una esfera envolvente. Mientras que la forma de la silla es más estable energéticamente, está bloqueada y sólo puede interconvertirse a la forma invertida pasando a través de un estado de transición de alta energía. Tanto los cálculos como la flexibilidad del modelo impreso indican que los conformadores de barco y de torsión están separados por cerca de 1 k_BT a 298,15 K, lo que permite un desplazamiento latitudinal casi libre de átomos de carbono en esta forma. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Cuadro suplementario S1: Estimaciones de energía libre de puntos de estado. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

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Discusión

El objetivo principal de este estudio es informar de un protocolo para la elaboración de modelos moleculares dinámicos con impresoras 3D de productos básicos. Estas impresoras son cada vez más accesibles, a menudo incluso libres de usar en bibliotecas, escuelas y otros lugares. Comenzar implica tomar decisiones sobre los modelos a imprimir y los materiales a utilizar y decidir a partir de estas opciones puede requerir cierta inspiración con respecto a lo que la fabricación creativa de aditivos puede hacer para la investigación y la instrucción. Para abordar estas cuestiones, proporcionamos algunas recomendaciones materiales prácticas, piezas de modelo sugeridas, un protocolo de impresión 3D y una aplicación de ejemplo, cada una de las cuales justifica una discusión adicional.

Hay muchas opciones de termoplástico para su uso en la impresión 3D. Destacamos tres en el protocolo presentado, ya que estos tres materiales son actualmente los más ampliamente disponibles para la impresión 3D. La elección puede depender de qué material es compatible con una impresora 3D disponible, por ejemplo, muchas instalaciones de acceso abierto sólo imprimirán con PLA debido a las limitaciones ambientales. PLA es un material biodegradable y compostable que tiene un protocolo de impresión con ajustes de temperatura suaves. Tanto ABS como PETG son menos respetuosos con el medio ambiente y no son generalmente reciclables, aunque PETG se basa en tereftalato de polietileno altamente reciclable (PET) y eventualmente puede ver un reprocesamiento de propagación más amplio como PET. Las prácticas de impresión sostenibles implicarían imprimir pocas piezas a la vez para garantizar tanto la calidad de impresión como el éxito de la impresión, esto mientras se utiliza el menor material desechado (estructuras de soporte, balsas, escudos de ooze, etc.) como sea posible. El PLA puede ser frágil, por lo que si está disponible, los termoplásticos ABS y PETG pueden dar lugar a impresiones que son más resistentes mecánicamente y tienen una mejor adherencia de la capa, respectivamente. Estas propiedades podrían ser deseables para un modelo molecular interactivo que verá la manipulación regular en un entorno de laboratorio o aula.

Los modelos presentados aquí tienen en cuenta estas consideraciones, aunque en primer lugar están diseñados para trabajar juntos para permitir la construcción dinámica de modelos moleculares. A la escala predeterminada, se ensamblan con éxito en estructuras moleculares interactivas. Se pueden escalar fácilmente a modelos grandes, aunque el ensamblaje requerirá más fuerza, ya que las puntas de conexión son menos fáciles de distorsionar a un tamaño mayor. Al reducir los componentes, una reducción del 50% en el tamaño seguirá funcionando con modificaciones menores, como reducir el modelo de átomo de carbono a 48-u201249% mientras mantiene el enlace y el átomo de hidrógeno en 50% para permitir conexiones más estrechas entre las piezas en las impresiones PLA. Los modelos tan pequeños son más delicados y a menudo requieren estructuras de balsa para imprimir con éxito, pero siguen siendo funcionales como modelos moleculares dinámicos.

El material termoplástico y los modelos elegidos para imprimir son los dos aspectos más críticos de un protocolo de impresión 3D. El termoplástico elegido dictará la temperatura, la adhesión, el recocido y las consideraciones y opciones de acabado. Si la impresora 3D disponible no tiene una cama calentada, PLA es la única de las opciones termoplásticas presentadas que imprimirá las piezas de forma reproducible. Mientras que las piezas proporcionadas están diseñadas para imprimir de forma reproducible con diferentes termoplásticos y soportar la manipulación dinámica, las impresiones se degradarán con el uso y la grieta, a menudo entre las capas de impresión, cuando se colocan bajo una tensión creciente. En tales situaciones, es fácil y relativamente rentable imprimir una pieza de reemplazo.

La funcionalidad dinámica de los conjuntos moleculares impresos a partir de los modelos proporcionados diferencia este trabajo de otros modelos disponibles e imprimibles en 3D que resaltan principalmente la conectividad y los tipos de unión. Los aspectos dinámicos se presentan en pequeña parte con la estructura de ciclohexano de ejemplo. El panorama de configuración del ciclohexano es directamente accesible a mano utilizando estos modelos, y las topologías de estos paisajes están en general de acuerdo con las investigaciones computacionales. Gran parte de esto proviene del respeto por los detalles de la geometría molecular y los grados de libertad en estos componentes de modelado físico. En elcomentario de Linus Pauling sobre su éxito en el descubrimiento de la estructura de la -helix¹, afirmaron que sus contemporáneos se enfrentaron a dificultades derivadas de supuestos integrales idealistas y adoptar "... sólo una aproximación aproximada a los requisitos sobre las distancias interatómicas, los ángulos de unión y la planaridad del grupo de amida conjugada, como lo indican nuestras investigaciones sobre sustancias más simples." Una visión más cuantitativa en esta línea requiere detalles más específicos que las consideraciones tomadas en la construcción de estas piezas modelo, pero estos modelos y recomendaciones proporcionan una base para la investigación física interactiva general de los sistemas moleculares. Estos modelos son una extensión de kits de modelos imprimibles 3D que hemos estado produciendo para actividades de investigación y divulgación durante varios años antes de este informe, y los componentes adicionales que son compatibles con estos modelos y el protocolo descrito están disponibles de los autores para permitir arreglos de unión más diversos y acción dinámica.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABS: Black 1.75 mm filament spool, 1 kg	MakerBot	MP01969	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
ABS: Dark Gray 1.75 mm filament spool, 1 kg	Amazon	B07T6W8TRF	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
ABS: White 1.75 mm filament spool, 1 kg	Hatchbox	B00J0H6NNM	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
Crown Acetone, 1 Gallon	Crown	206539	Obtained from a hardwares store (Lowes).
MakerGear M2	MakerGear		This printer is more costly than inexpensive FDM printers obtainable on Amazon or other sites, but it is engineered for more consistent performance.
MakerGear M2 Dual	MakerGear		This model printer is no longer available for purchase. It has been replaced with a new model that has independent dual extruders.
Multi-Surface 1.88-in Painters Tape	3M	116480	Obtained from a hardwares store (Lowes).
PETG: Pink 1.75 mm filament spool, 1 kg	Amazon		Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company.
PETG: White 1.75 mm filament spool, 1 kg	Amazon		Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company.
PLA: Black 1.75 mm filament spool, 2 lb	MakerBot	MP05775	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
PLA: Cool Gray 1.75 mm filament spool, 2 lb	MakerBot	MP05784	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
PLA: White 1.75 mm filament spool, 2 lb	MakerBot	MP05780	Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
POLYIMIDE TAPE (2" ROLL)	MakerGear		Provided with the printer from MakerGear, though obtainable from a variety of sources.
Simplify3D	Simplify3D		Slicer softward used in prints. This software can be purchased from the company, or it can be purchased from MakerGear and other 3D printer makers.