15 de diciembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) La naturaleza cuenta con un talento incomparable para la fabricación de materiales a través de una arquitectura molecular precisa: las intrincadas máquinas de proteínas que impulsan el metabolismo y la replicación revelan líneas de ensamblaje perfeccionadas a lo largo de eones de evolución. A pesar de los notables avances, los químicos todavía luchan por acercarse a la precisión y complejidad incluso de la biomolécula más humilde. Sin embargo, los avances recientes se acercan cada vez más a la ingeniería personalizada de materiales sintéticos desde el nivel molecular. Los nuevos métodos de polimerización ofrecen un control sin precedentes para dictar propiedades a través de secuencias diseñadas a lo largo de las estructuras principales del polímero; sin embargo, las aplicaciones de tales macromoléculas definidas por secuencias permanecen limitadas a dominios especializados como el cifrado de datos. Una nueva investigación, publicada en Pequeño (“Ingeniería macromolecular: de tintas macromoleculares precisas a microestructuras impresas en 3D”), es pionero en el control de secuencias y lo convierte en un paradigma de fabricación transformador: la microimpresión 3D aditiva.
Descripción general y relación de los pasos explorados en el siguiente trabajo: diseño y síntesis de los tres oligómeros reticulables con secuencia de monómeros controlada, 2PLP de microestructuras 3D de las tintas formuladas, caracterización química y mecánica de las microestructuras 3D y las relaciones desde el control macromolecular hasta Microestructuras impresas. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) A través del diseño molecular racional, el equipo de investigación de la Universidad de Heidelberg y el Instituto Max Planck de Investigación Médica, materiales de secuencia directa definida como tintas imprimibles en 3D, programación de resolución de impresión, mecánica y límites de fabricación a partir de monómeros. posicionamiento a lo largo de la estructura primaria. Este dominio molecular abre un enorme potencial para la construcción 3D de dispositivos especializados, desde vehículos de administración de fármacos específicos hasta estructuras de crecimiento celular marcadas o incluso componentes de circuitos moleculares. Como ha demostrado la naturaleza, la secuencia codifica la función. Esta nueva investigación une macromoléculas de secuencia definida con microimpresión 3D para ser pionera en una nueva generación de materiales intrincadamente estructurados. La impresión láser de dos fotones (2PLP) permite la fabricación de estructuras 3D a microescala, como microóptica o microrobótica. Sin embargo, las tintas de acrilato convencionales carecen de definición molecular. Esta investigación investiga manipulaciones de secuencias macromoleculares para alterar sistemáticamente la capacidad y las propiedades de la impresión 3D. Los investigadores sintetizaron tres oligómeros únicos de ocho unidades con composición idéntica pero con posicionamiento variado de unidades fotoentrecruzables y no funcionales. Los oligómeros contenían grupos alternantes reticulables/no funcionales, un motivo tribloque reticulable delimitado por unidades no funcionales o un bloque no funcional que agrupaba grupos reticulables. Después de formular tintas, el equipo imprimió en 3D intrincadas estructuras de “buckyball”, analizando la resolución de impresión a través de diversos parámetros láser. Sorprendentemente, el oligómero alterno proporcionó la ventana de impresión más amplia antes de que ocurrieran defectos, requiriendo la intensidad de luz más baja pero alcanzando la mayor integridad mecánica de las tres tintas.
a) Estructuras de buckyball 2D impresas con 3PLP utilizando tintas oligómeras alternas (azul), tribloque (rojo) y bloque (gris) (potencia del láser = 32.5 mW, velocidad de escaneo 5 mm s-1), b) Imágenes SEM del estudio de imprimibilidad en Potencias láser crecientes para tinta alterna, de 10 mW a 40 mW (de izquierda a derecha) y de 3 a 6 mm s.-1 (abajo hacia arriba). c) Imprimibilidad de las tres tintas oligómeras en un rango de potencia del láser de 10 a 40 mW y velocidades de escaneo de 3 a 6 mm s-1. d) Análisis del área decreciente del poro central al aumentar la potencia del láser, después de convertir las imágenes del microscopio a binarias. El inserto de (d) muestra una imagen SEM representativa (izquierda) y una imagen binaria (derecha) con el área analizada resaltada en rojo. Escala = 8 µm. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) A través del monitoreo espectroscópico durante la impresión, los investigadores rastrearon el rendimiento mejorado a diferencias en la cinética de reticulación y la topología de la red dictada por la secuencia. El posicionamiento de enlace cruzado cambió las tasas de reacción y las oportunidades locales. Bloquear el posicionamiento de grupos reactivos concentrados, lo que impulsa una conversión rápida pero con propiedades mecánicas bajas, potencialmente a partir de bucles intramoleculares que dejan cadenas colgantes. Colocación alterna de grupos dispersos para la formación gradual de redes homogéneas y sin defectos, maximizando la mecánica. La impresión tribloque cayó a nivel intermedio. La variación de la proximidad del entrecruzamiento también alteró los requisitos de estabilidad de la impresión. El oligómero de bloque, a pesar de la mayor conversión, necesitaba intensidades de luz mucho más altas para imprimir sin colapsar, lo que sugiere una debilidad localizada debido a una topología desigual. La secuencia puede programar directamente el rendimiento de la impresión a través del desarrollo de red programado. Con un exquisito control basado en secuencias para dictar comportamientos de impresión, los investigadores demostraron la microimpresión de aves, mamíferos y plantas de estructura intrincada con las tres tintas. El oligómero alterno logró la resolución y los salientes más finos. Los fotoiniciadores desarrollados recientemente prometen capacidades aún mayores.
Imágenes SEM representativas de microestructuras 3D impresas con 2PLP con tintas de oligómero alternadas (azul), tribloque (rojo) y de bloque (gris) impresas con 0.25% en peso de DETC que demuestran la versatilidad de los oligómeros como tintas para microimpresión 3D. Escala = 10 µm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Esta investigación pionera arroja luz sobre cómo la ingeniería molecular definida por secuencias puede desbloquear inmensos potenciales para la impresión 3D de materiales personalizados. Simplemente manipulando la posición de unidades fotoreticulables a lo largo de una columna vertebral de oligómero, los investigadores programaron diferencias dramáticas en la resolución de impresión, ventanas de fabricación, mecánica y topología de las impresiones finalizadas. El estudio proporciona un marco y una comprensión a nivel molecular para traducir la síntesis de precisión en impresiones 3D que rivalizan con las construcciones biológicas. Las puertas ahora abiertas a tintas imprimibles en 3D personalizadas a través del diseño de secuencias son amplias e intrigantes. Más allá de aumentar la resistencia mecánica, la flexibilidad y la dinámica a través del posicionamiento del monómero, también se podrían diseñar impresiones especializadas desde el nivel molecular: vasos liberadores de fármacos con cinética de liberación codificada, factores de crecimiento para estimular la migración celular dirigida, pilas conductoras para registrar señales neuronales o andamios etiquetados para estudiar las fuerzas de las células madre durante la división. Estas arquitecturas impresas en 3D, precisas y multifuncionales, podrían acelerar la fabricación de dispositivos, desde prótesis hasta laboratorios en un chip y electrónica biointegrada. Así como las proteínas de la naturaleza logran una maravillosa diversidad y precisión de función a través de la secuenciación programada de aminoácidos, este avance promete una nueva era en la que la secuenciación de macromoléculas diseñadas por humanos finalmente pueda acercarse a tales maravillas.
Descripción general y relación de los pasos explorados en el siguiente trabajo: diseño y síntesis de los tres oligómeros reticulables con secuencia de monómeros controlada, 2PLP de microestructuras 3D de las tintas formuladas, caracterización química y mecánica de las microestructuras 3D y las relaciones desde el control macromolecular hasta Microestructuras impresas. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) A través del diseño molecular racional, el equipo de investigación de la Universidad de Heidelberg y el Instituto Max Planck de Investigación Médica, materiales de secuencia directa definida como tintas imprimibles en 3D, programación de resolución de impresión, mecánica y límites de fabricación a partir de monómeros. posicionamiento a lo largo de la estructura primaria. Este dominio molecular abre un enorme potencial para la construcción 3D de dispositivos especializados, desde vehículos de administración de fármacos específicos hasta estructuras de crecimiento celular marcadas o incluso componentes de circuitos moleculares. Como ha demostrado la naturaleza, la secuencia codifica la función. Esta nueva investigación une macromoléculas de secuencia definida con microimpresión 3D para ser pionera en una nueva generación de materiales intrincadamente estructurados. La impresión láser de dos fotones (2PLP) permite la fabricación de estructuras 3D a microescala, como microóptica o microrobótica. Sin embargo, las tintas de acrilato convencionales carecen de definición molecular. Esta investigación investiga manipulaciones de secuencias macromoleculares para alterar sistemáticamente la capacidad y las propiedades de la impresión 3D. Los investigadores sintetizaron tres oligómeros únicos de ocho unidades con composición idéntica pero con posicionamiento variado de unidades fotoentrecruzables y no funcionales. Los oligómeros contenían grupos alternantes reticulables/no funcionales, un motivo tribloque reticulable delimitado por unidades no funcionales o un bloque no funcional que agrupaba grupos reticulables. Después de formular tintas, el equipo imprimió en 3D intrincadas estructuras de “buckyball”, analizando la resolución de impresión a través de diversos parámetros láser. Sorprendentemente, el oligómero alterno proporcionó la ventana de impresión más amplia antes de que ocurrieran defectos, requiriendo la intensidad de luz más baja pero alcanzando la mayor integridad mecánica de las tres tintas.
a) Estructuras de buckyball 2D impresas con 3PLP utilizando tintas oligómeras alternas (azul), tribloque (rojo) y bloque (gris) (potencia del láser = 32.5 mW, velocidad de escaneo 5 mm s-1), b) Imágenes SEM del estudio de imprimibilidad en Potencias láser crecientes para tinta alterna, de 10 mW a 40 mW (de izquierda a derecha) y de 3 a 6 mm s.-1 (abajo hacia arriba). c) Imprimibilidad de las tres tintas oligómeras en un rango de potencia del láser de 10 a 40 mW y velocidades de escaneo de 3 a 6 mm s-1. d) Análisis del área decreciente del poro central al aumentar la potencia del láser, después de convertir las imágenes del microscopio a binarias. El inserto de (d) muestra una imagen SEM representativa (izquierda) y una imagen binaria (derecha) con el área analizada resaltada en rojo. Escala = 8 µm. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) A través del monitoreo espectroscópico durante la impresión, los investigadores rastrearon el rendimiento mejorado a diferencias en la cinética de reticulación y la topología de la red dictada por la secuencia. El posicionamiento de enlace cruzado cambió las tasas de reacción y las oportunidades locales. Bloquear el posicionamiento de grupos reactivos concentrados, lo que impulsa una conversión rápida pero con propiedades mecánicas bajas, potencialmente a partir de bucles intramoleculares que dejan cadenas colgantes. Colocación alterna de grupos dispersos para la formación gradual de redes homogéneas y sin defectos, maximizando la mecánica. La impresión tribloque cayó a nivel intermedio. La variación de la proximidad del entrecruzamiento también alteró los requisitos de estabilidad de la impresión. El oligómero de bloque, a pesar de la mayor conversión, necesitaba intensidades de luz mucho más altas para imprimir sin colapsar, lo que sugiere una debilidad localizada debido a una topología desigual. La secuencia puede programar directamente el rendimiento de la impresión a través del desarrollo de red programado. Con un exquisito control basado en secuencias para dictar comportamientos de impresión, los investigadores demostraron la microimpresión de aves, mamíferos y plantas de estructura intrincada con las tres tintas. El oligómero alterno logró la resolución y los salientes más finos. Los fotoiniciadores desarrollados recientemente prometen capacidades aún mayores.
Imágenes SEM representativas de microestructuras 3D impresas con 2PLP con tintas de oligómero alternadas (azul), tribloque (rojo) y de bloque (gris) impresas con 0.25% en peso de DETC que demuestran la versatilidad de los oligómeros como tintas para microimpresión 3D. Escala = 10 µm. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Esta investigación pionera arroja luz sobre cómo la ingeniería molecular definida por secuencias puede desbloquear inmensos potenciales para la impresión 3D de materiales personalizados. Simplemente manipulando la posición de unidades fotoreticulables a lo largo de una columna vertebral de oligómero, los investigadores programaron diferencias dramáticas en la resolución de impresión, ventanas de fabricación, mecánica y topología de las impresiones finalizadas. El estudio proporciona un marco y una comprensión a nivel molecular para traducir la síntesis de precisión en impresiones 3D que rivalizan con las construcciones biológicas. Las puertas ahora abiertas a tintas imprimibles en 3D personalizadas a través del diseño de secuencias son amplias e intrigantes. Más allá de aumentar la resistencia mecánica, la flexibilidad y la dinámica a través del posicionamiento del monómero, también se podrían diseñar impresiones especializadas desde el nivel molecular: vasos liberadores de fármacos con cinética de liberación codificada, factores de crecimiento para estimular la migración celular dirigida, pilas conductoras para registrar señales neuronales o andamios etiquetados para estudiar las fuerzas de las células madre durante la división. Estas arquitecturas impresas en 3D, precisas y multifuncionales, podrían acelerar la fabricación de dispositivos, desde prótesis hasta laboratorios en un chip y electrónica biointegrada. Así como las proteínas de la naturaleza logran una maravillosa diversidad y precisión de función a través de la secuenciación programada de aminoácidos, este avance promete una nueva era en la que la secuenciación de macromoléculas diseñadas por humanos finalmente pueda acercarse a tales maravillas.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64269.php
