Impresión 3D y modificación de superficies in situ mediante polimerización de transferencia de cadena de adición reversible-fragmentación fotoiniciada tipo I

Resumen

El presente protocolo describe la impresión 3D basada en el procesamiento digital de luz de materiales poliméricos utilizando la polimerización de transferencia de cadena de adición-fragmentación reversible fotoiniciada tipo I y la posterior postfuncionalización de material in situ a través de polimerización mediada por superficie. La impresión 3D fotoinducida proporciona a los materiales propiedades a granel e interfaciales adaptadas de forma independiente y controladas espacialmente.

Resumen

La impresión 3D proporciona un acceso fácil a materiales geométricamente complejos. Sin embargo, estos materiales tienen propiedades a granel e interfaciales intrínsecamente vinculadas que dependen de la composición química de la resina. En el trabajo actual, los materiales impresos en 3D se post-funcionalizan utilizando el hardware de la impresora 3D a través de un proceso de polimerización secundario iniciado por la superficie, proporcionando así un control independiente sobre las propiedades del material a granel e interfacial. Este proceso comienza con la preparación de resinas líquidas, que contienen un monómero monofuncional, un monómero multifuncional de reticulación, una especie fotoquímicamente lábil que permite el inicio de la polimerización y, lo que es más importante, un compuesto tiocarboniltio que facilita la polimerización reversible de transferencia de cadena de adición-fragmentación (RAFT). El compuesto tiocarboniltio, conocido comúnmente como agente RAFT, media el proceso de polimerización del crecimiento de la cadena y proporciona materiales poliméricos con estructuras de red más homogéneas. La resina líquida se cura capa por capa utilizando una impresora 3D de procesamiento de luz digital disponible comercialmente para dar materiales tridimensionales con geometrías controladas espacialmente. La resina inicial se retira y se reemplaza con una nueva mezcla que contiene monómeros funcionales y especies fotoiniciantes. El material impreso en 3D se expone a la luz de la impresora 3D en presencia de la nueva mezcla de monómeros funcionales. Esto permite que la polimerización iniciada por la superficie fotoinducida ocurra a partir de los grupos de agentes RAFT latentes en la superficie del material impreso en 3D. Dada la flexibilidad química de ambas resinas, este proceso permite producir una amplia gama de materiales impresos en 3D con propiedades a granel e interfaciales personalizables.

Introducción

La fabricación aditiva y la impresión 3D han revolucionado la fabricación de materiales al proporcionar rutas más eficientes y fáciles para la fabricación de materiales geométricamente ^complejos1. Además de las libertades de diseño mejoradas en la impresión 3D, estas tecnologías producen menos residuos que los procesos de fabricación sustractivos tradicionales a través del uso juicioso de materiales precursores en un proceso de fabricación capa por capa. Desde la década de 1980, se ha desarrollado una amplia gama de diferentes técnicas de impresión 3D para fabricar componentes poliméricos, metálicos y ^cerámicos1. Los métodos más comúnmente empleados incluyen la impresión 3D basada en extrusión, como la fabricación de filamentos fundidos y las técnicas de escritura directa con ^tinta2, las técnicas de sinterización como la sinterización selectiva por ^láser3, así como las técnicas de impresión 3D fotoinducida a base de resina, como la estereolitografía basada en láser y proyección y las técnicas de procesamiento de luz digital enmascarada4 . Entre las muchas técnicas de impresión 3D que existen hoy en día, las técnicas de impresión 3D fotoinducidas proporcionan algunas ventajas en comparación con otros métodos, incluida una mayor resolución y velocidades de impresión más rápidas, así como la capacidad de realizar la solidificación de la resina líquida a temperatura ambiente, lo que abre la posibilidad de una impresión 3D de biomateriales avanzados4,5,6,7,8^{, 9}.

Si bien estas ventajas han permitido la adopción generalizada de la impresión 3D en muchos campos, la capacidad limitada de adaptar de forma independiente las propiedades del material impreso en 3D restringe las aplicaciones ^futuras10. En particular, la incapacidad de adaptar fácilmente las propiedades mecánicas a granel independientemente de las propiedades interfaciales limita las aplicaciones como los implantes, que requieren superficies biocompatibles finamente adaptadas y, a menudo, propiedades a granel muy diferentes, así como superficies antiincrustantes y antibacterianas, materiales de sensores y otros materiales inteligentes11,12,13 . Los investigadores han propuesto la modificación de la superficie de los materiales impresos en 3D para superar estos problemas y proporcionar propiedades a granel e interfaciales más personalizables de forma independiente10,14,15.

Recientemente, nuestro grupo desarrolló un proceso de impresión 3D fotoinducido que explota la polimerización reversible de transferencia de cadena de adición-fragmentación (RAFT) para mediar la síntesis de polímeros ^{en red15,16}. La polimerización RAFT es un tipo de polimerización radical de desactivación reversible que proporciona un alto grado de control sobre el proceso de polimerización y permite la producción de materiales macromoleculares con pesos moleculares y topologías finamente afinados, y un amplio alcance químico17,18,19. En particular, los compuestos tiocarboniltio, o agentes RAFT, utilizados durante la polimerización RAFT se conservan después de la polimerización. Por lo tanto, pueden reactivarse para modificar aún más las propiedades químicas y físicas del material macromolecular. Por lo tanto, después de la impresión 3D, estos agentes RAFT inactivos en las superficies del material impreso en 3D se pueden reactivar en presencia de monómeros funcionales para proporcionar superficies de material a medida20,21,22,23,24,25,26. La polimerización de la superficie secundaria dicta las propiedades del material interfacial y se puede realizar de manera espacialmente controlada a través de la iniciación fotoquímica.

El presente protocolo describe un método para la impresión 3D de materiales poliméricos a través de un proceso de polimerización RAFT fotoinducido y la posterior modificación de la superficie in situ para modular las propiedades interfaciales independientemente de las propiedades mecánicas del material a granel. En comparación con los enfoques anteriores de impresión 3D y modificación de superficies, el protocolo actual no requiere desoxigenación u otras condiciones estrictas y, por lo tanto, es altamente accesible para los no especialistas. Además, el uso de hardware de impresión 3D para realizar tanto la fabricación inicial del material como la postfuncionalización de la superficie proporciona un control espacial sobre las propiedades del material y se puede realizar sin la tediosa alineación de varias fotomáscaras diferentes para crear patrones complejos.

Protocolo

1. Preparación del programa de impresión 3D y la impresora 3D

1. Diseñe el modelo digital para impresión 3D siguiendo los pasos a continuación.
   1. Abra un programa de diseño asistido por ordenador (consulte la Tabla de materiales).
   2. En el plano x-y, cree un rectángulo centrado en el origen que tenga dimensiones de 80 mm x 40 mm, luego extruya a lo largo del eje z positivo durante 1,5 mm para hacer un prisma rectangular sólido, llamado objeto base.
   3. Sobre el objeto base, es decir, a z = 1,5 mm, dibuje los patrones de superficie deseados (en este caso, dos símbolos yin-yang) en la superficie del prisma rectangular.
   4. Extruya los patrones de superficie en regiones seleccionadas de 0,05 mm a lo largo del eje z positivo para crear un patrón ligeramente elevado en relación con el objeto base.
   5. Exporte el modelo 3D para proporcionar un archivo de estereolitografía con . Extensión de archivo STL.
      NOTA: En este trabajo se diseñaron ejemplares en forma de hueso de ^perro27. Para imprimir otros modelos deseados, siga los pasos 1.1.1-1.1.5.
   6. Abra un programa de corte de impresora 3D (consulte Tabla de materiales) para habilitar la configuración de una sola capa.
   7. Abra el archivo . STL desde el disco duro de la computadora haciendo clic en Archivo > Abrir y luego navegando a la . Archivo STL.
   8. Organice los modelos 3D en la plataforma de construcción utilizando los botones "Rotación del modelo" y "Movimiento del modelo" para que quepan al menos 1 mm entre todos los objetos en la etapa de construcción.
   9. Al introducir texto en los cuadros de campo de entrada del panel de la derecha, cambie los parámetros mencionados en la Tabla 1.
   10. Haga clic en el botón azul Slice en la esquina inferior izquierda y guárdelo como un archivo slice con una extensión de. PWS u otro archivo en rodajas legible por impresora 3D.
   11. Haga clic en el botón Vista previa una vez que aparezca el menú emergente y navegue por las capas cortadas utilizando la barra de desplazamiento en el lado derecho. Tome nota cuidadosa de los números de capa para la última capa base (capa 29 en este caso) y la capa de patrón de superficie (30 en este caso).
       NOTA: La primera capa impresa es "capa 0" no "capa 1".
   12. En el panel de la derecha, seleccione Configuración de una sola capa y, a continuación, expanda el menú desplegable.
   13. Cambie el "Tiempo de exposición (s)" solo para la capa superficial (capa 30) a 180 s, dejando todos los demás tiempos de exposición de la capa como el valor predeterminado.
   14. Haga clic en el botón Guardar en la esquina superior izquierda para guardar el archivo cortado en un USB.
2. Prepare la impresora 3D.
   1. Inserte el USB que contiene el archivo cortado en la impresora 3D (consulte la Tabla de materiales).
   2. Antes de la impresión 3D, nivele la etapa de construcción y calibre la posición del eje z a z = 0 siguiendo el método específico de la impresora 3D (calibración manual o automática siguiendo el manual de la impresora 3D).
   3. Inspeccione la película de la cuba de la impresora 3D para garantizar una superficie lisa y limpia libre de defectos.
   4. Si la película de la cuba parece dañada, reemplácela de acuerdo con el protocolo del fabricante.

2. Preparación de resinas

NOTA: Las resinas se clasifican como "Resina a granel" para la resina utilizada para imprimir en 3D el material original (sustrato base) y "Resina de superficie" para la solución utilizada para realizar la funcionalización de la superficie (patrón de superficie).

1. Preparar la resina a granel.
   1. Para preparar la resina a granel, pese 0,36 g de ácido propanoico (BTPA) 2-(n-butiltiocarbonotioiltio) en un vial ámbar limpio de 50 ml.
   2. Añadir 13,63 ml de diacrilato de poli (etilenglicol) promedio Mn 250 (PEGDA) al vial de ámbar utilizando una micropipeta.
   3. Añadir 14,94 ml de N, N-dimetilacrilamida (DMAm) al vial de ámbar utilizando una micropipeta.
   4. En un vial separado de vidrio limpio de 20 ml cubierto con papel de aluminio, agregue 0.53 g de óxido de fosfina (TPO) de difenilo (2,4,6-trimetil benzoil).
   5. Usando una micropipeta, agregue 10 ml de DMAm al vial de vidrio de 20 ml que contiene el TPO y selle el vial con la tapa.
   6. Homogeneice completamente la solución de TPO y DMAm mezclando usando un mezclador de vórtice durante 10 s y luego usando un baño sónico de laboratorio estándar (~ 40 kHz) para sonicar la mezcla durante 1 minuto a temperatura ambiente (Figura 1C, izquierda).
   7. Usando una pipeta de vidrio y una bombilla de pipeta de goma, transfiera la solución del vial de vidrio de 20 ml al vial de ámbar de 50 ml y selle el vial con una tapa y una película de plástico moldeable.
   8. Agite suavemente el vial de ámbar de 50 ml y luego coloque el vial en un baño sónico durante 2 minutos a temperatura ambiente para asegurarse de que la mezcla sea homogénea (Figura 1C, segundo desde la izquierda).
   9. Coloque el vial ámbar sellado lleno de resina a granel en una campana extractora de humos para su uso posterior.
2. Preparar la resina superficial.
   1. Para preparar la resina superficial, pese 0,50 g de TPO en un vial ámbar limpio de 50 ml.
   2. Usando una micropipeta, agregue 3.56 mL de DMAm y 11.98 mL de N, N-dimetilformamida (DMF) al vial de ámbar de 50 mL y selle el vial con una película plástica moldeable de tapa.
   3. Agite suavemente el vial de ámbar sellado y sonice durante 1 minuto a temperatura ambiente utilizando un baño sónico de laboratorio estándar (~ 40 kHz).
   4. A un vial limpio de 20 ml cubierto con papel de aluminio, agregue 0,29 g de metacrilato de 1-pirenometil (PyMMA).
   5. Agregue 10 ml de DMF al vial de 20 ml y selle el vial con una tapa con una micropipeta.
   6. Agite suavemente el vial de vidrio de 20 ml y sonice en incrementos de 1 min a temperatura ambiente utilizando un baño sónico de laboratorio estándar, inspeccionando visualmente entre ciclos hasta que el PyMMA parezca estar disuelto por completo (Figura 1C, tercero y cuarto desde la izquierda).
   7. Usando una pipeta de vidrio y una bombilla de pipeta de goma, transfiera la solución del vial de vidrio de 20 ml al vial de ámbar de 50 ml.
   8. Agite suavemente el vial de ámbar de 50 ml y luego coloque el vial en un baño sónico durante 2 minutos a temperatura ambiente para asegurarse de que la mezcla sea homogénea (Figura 1C, derecha y segunda desde la derecha).
   9. Coloque el vial ámbar sellado lleno de resina a granel en una campana extractora de humos para su uso posterior.
      PRECAUCIÓN: Algunos productos químicos utilizados en este protocolo pueden causar irritación severa de la piel y los ojos y otra toxicidad para los seres humanos y el medio ambiente. Asegúrese de que se sigan los protocolos de seguridad de acuerdo con la hoja de datos de seguridad y las regulaciones locales.

3.3D impresión y funcionalización de superficies

1. Realice la impresión 3D del sustrato base siguiendo los pasos a continuación.
   1. Vierta la resina a granel previamente preparada (paso 2.1) en la cuba de la impresora 3D (consulte la Tabla de materiales), asegurándose de que la solución cubra completamente la película inferior en la cuba sin burbujas de aire u otras inhomogeneidades, y luego cierre la caja de la impresora 3D.
   2. Navegue por el USB utilizando la pantalla de la impresora 3D y seleccione el archivo de modelo cortado haciendo clic en el botón reproducir triangular para comenzar el proceso de impresión 3D.
   3. Al observar la pantalla de la impresora 3D, tome nota cuidadosamente del número de capas impresas y detenga el programa de impresión presionando el botón Pausa de dos líneas verticales durante la impresión 3D de la última capa del sustrato base (capa 29 en este caso).
   4. Retire toda la etapa de construcción y enjuague suavemente la etapa de construcción y el material impreso con etanol 100% sin desnaturalizar de una botella de lavado durante 10 s para eliminar la resina a granel residual del material impreso en 3D y la etapa de construcción.
   5. Con aire comprimido, seque suavemente el material impreso en 3D y cree la etapa para eliminar el etanol residual y luego vuelva a insertar la etapa de construcción en la impresora 3D.
   6. Retire la cuba de la impresora 3D y vierta la resina a granel restante en un vial de color ámbar. Guarde el vial en un lugar fresco y oscuro.
   7. Usando etanol 100% sin desnaturalizar de una botella de lavado, enjuague cuidadosamente la cuba para eliminar cualquier resina a granel residual.
   8. Seque la cuba con una corriente de aire comprimido para eliminar cualquier residuo de etanol y vuelva a insertar la cuba en la impresora 3D.
2. Realizar la funcionalización de la superficie.
   1. Vierta la resina de superficie previamente preparada (paso 2.2) en la cuba de la impresora 3D, asegurándose de que la solución cubra completamente la película inferior sin burbujas de aire u otras inhomogeneidades, y luego cierre la caja de la impresora 3D.
   2. Reanude el programa de impresión 3D haciendo clic en el botón Reproducir del triángulo para permitir que se produzca el patrón de superficie predeterminado.
   3. Una vez que se haya completado el programa de impresión, retire la etapa de construcción de la impresora 3D y lávela durante 10 s con etanol 100% sin desnaturalizar utilizando una botella de lavado para eliminar la resina superficial residual del material impreso en 3D y la etapa de construcción.
   4. Usando aire comprimido (caudal, 30 L/min), seque suavemente el material impreso en 3D y cree la etapa para eliminar el etanol residual.
   5. Mientras aún está unido a la etapa de construcción, cure el material invirtiendo toda la etapa de construcción y colocándolo bajo una luz de 405 nm durante 15 minutos.
   6. Retire suavemente el material impreso en 3D funcionalizado de la superficie de la etapa de construcción con una placa de metal delgada o un raspador de pintura.
   7. Sin más ajustes, analice las propiedades mecánicas y superficiales del material.

4. Análisis de muestras impresas en 3D

1. Realizar el análisis de fluorescencia.
   1. Coloque el material funcionalizado de la superficie impreso en 3D debajo de una lámpara de descarga de gas UV de 312 nm (consulte la Tabla de materiales) en un lugar oscuro, asegurándose de que la capa funcionalizada de la superficie esté hacia arriba.
   2. Encienda la lámpara para irradiar continuamente la capa superficial con luz de 312 nm y observe el patrón fluorescente. Tome fotografías si es necesario.
      NOTA: Este es un paso de inspección visual; no se puede especificar la hora. La irradiación es continua mientras se produce la observación.
   3. Coloque el material funcionalizado de superficie impreso en 3D en un generador de imágenes de fluorescencia. Utilizando el software proporcionado, capture imágenes digitales de fluorescencia de las superficies superior e inferior utilizando la fuente de descarga de gas Trans-UV (302 nm) (consulte la Tabla de materiales).
2. Realice el análisis de la propiedad de tracción.
   1. Mida el calibre con y el grosor de los especímenes de hueso de perro (en milímetros).
   2. Coloque las muestras en forma de hueso de perro entre las empuñaduras de una máquina de prueba de tracción, asegurando que el material impreso en 3D se coloque igualmente a una distancia especificada por el documento de estándares, en este caso, 50.3 mm.
   3. Establezca el programa de prueba de tracción; en este caso, la velocidad de elevación se estableció en 1,1 mm/min, el número de muestras se estableció en 10 por segundo.
   4. Inicie el programa para adquirir datos de fuerza (N) frente a datos de viaje (mm).
   5. Una vez que la muestra se prepara, detenga la máquina y guarde los datos como datos separados por columnas con un archivo . Extensión de archivo CSV.
   6. Convierta los datos de fuerza (N) en tensión (MPa) dividiendo cada punto de la columna de fuerza por el área del medidor (^mm2, obtenido multiplicando el ancho del medidor por el grosor del medidor).
   7. Convierta los datos de viaje en tensión (%) buceando los datos de viaje por la longitud del medidor (50,3 mm) en cada punto y multiplicando cada resultado por 100.
   8. Calcule la tenacidad (MJ/^m3) utilizando la regla trapezoidal para calcular el área bajo la curva tensión-deformación.
   9. Calcular el módulo de Young (MPa) tomando el gradiente de la tensión (MPa) vs. curva de deformación (%) en la región elástica, en este trabajo de alargamiento del 1%-2%²⁷.

Resultados

El procedimiento general para la impresión 3D y la funcionalización de superficies se muestra en la Figura 1. En este protocolo, un polímero de red se sintetiza inicialmente a través de un proceso de polimerización RAFT fotoinducido15, utilizando una impresora 3D para fabricar un objeto en un proceso capa por capa (Figura 1A). La resina a granel utilizada para formar la red de polímeros contiene una especie iniciadora fotol...

Discusión

El presente protocolo demuestra un proceso para la impresión 3D de materiales poliméricos con propiedades a granel e interfaciales sintonizables de forma independiente. El procedimiento se realiza a través de un método de dos pasos mediante la impresión 3D del sustrato base y posteriormente la modificación de la capa superficial del objeto impreso en 3D utilizando una resina funcional diferente pero utilizando el mismo hardware de impresión 3D. Si bien las impresoras 3D utilizadas en este trabajo están d...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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