Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite

Zusammenfassung

We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.

Zusammenfassung

LCEs sind Form ansprechenden Materialien mit völlig reversibel Formänderung und mögliche Anwendungen in der Medizin, Tissue Engineering, künstliche Muskeln, und so weich Roboter. Hier zeigen wir die Herstellung von Form ansprechende Flüssigkristall-Elastomere (LCEs) und LCE Nanokomposite sowie Charakterisierung ihrer Form-Reaktionsfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur. Zwei Arten von LCEs - Polysiloxan basierenden und auf Epoxybasis - synthetisiert werden, ausgerichtet sind, und charakterisiert. Auf Polysiloxanbasis LCEs werden über zwei Vernetzungsschritten hergestellt, die zweite unter einer angelegten Last, was zu einer Monodomäne LCEs. Polysiloxan LCE Nanokomposite werden durch Zugabe von leitfähigem Ruß Nanopartikel, die beide über die Masse des LCE und mit dem LCE Oberfläche vorbereitet. Epoxid-Basis LCEs werden durch eine reversible Veresterung hergestellt. Epoxybasis LCEs werden durch die Anwendung einer uniaxialen Belastung bei erhöhten (160 ° C) ausgerichtet temperatures. Ausgerichtet LCEs und LCE Nanokomposite werden in Bezug auf reversible Dehnung, mechanische Steifigkeit aus, und Flüssigkristall-Bestellung eine Kombination aus Bildgebung, zweidimensionalen Röntgenbeugungsmessungen, Differentialscanningkalorimetrie und dynamische mechanische Analyse. LCEs und LCE Nanokomposite können mit Wärme und / oder elektrische Potential stimuliert werden, um steuerbar Stämme in Zellkulturmedien zu erzeugen, und wir zeigen die Anwendung als Form LCEs reagierende Substrate für Zellkultur eine maßgeschneiderte Vorrichtung verwendet.

Einleitung

Materialien, die ^1-9 wünschenswert sind schnell, reversibel und programmierbare Formänderungen für eine Reihe von neuen Anwendungen aufweisen kann. Form-responsive Stents können ⁷ mit der Wundheilung und Behandlung unterstützen. Künstliche Roboter können in der Explorations- oder bei der Durchführung von Aufgaben in Umgebungen unterstützen, die für den Menschen schädlich ¹⁰ oder unsicher sind. Form-responsive Elastomere wünschenswert sind für den Einsatz in aktiven Zellkultur, in der Zellen, die in einer aktiven Umgebung befinden. ^11-14 Weitere Anwendungen sind Verpackungen, Abtastung und Drug-Delivery.

Flüssigkristall-Elastomere (LCE) sind Polymernetzwerke mit Flüssigkristall ^15-20 bestellen. LCEs werden durch die Kombination eines flexiblen Polymernetzwerk mit Flüssigkristallmoleküle bekannt als Mesogene hergestellt. Die Reaktionsfähigkeit LCEs aus der Kopplung von Flüssigkristall um Stämme in dem Polymernetzwerk abgeleitet ist, und Reize, die die Reihenfolge der Mesogene beeinflussen GenRate Netzwerk-Stämme, und umgekehrt. Um große und reversible Formänderungen in der Abwesenheit von einer externen Last zu erreichen, müssen die Mesogene in einer einzigen Richtung in dem LCE ausgerichtet werden. Eine gemeinsame praktische Herausforderung bei der Arbeit mit LCEs erzeugt Monodomäne LCEs. Eine weitere Herausforderung ist die Erzeugung Formänderungen als Reaktion auf Reize andere als Direktheizung. Dies kann durch die Zugabe von Nanopartikeln oder Farbstoffen LCE Netzwerke ^21-28 erfolgen.

Hier zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs und LCE Nanokomposite. Zuerst zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs des zweistufigen Verfahren unter Verwendung von zuerst von Kupfer et al. ^29. Dies ist immer noch die beliebteste und bekannteste Methode zur Monodomäne LCEs Vorbereitung, aber, eine gleichmäßige Ausrichtung und Konsistenz zwischen den Proben kann eine Herausforderung sein . Wir zeigen einen Ansatz, der leicht unter Verwendung von Standardlaborgeräten durchgeführt werden können, einschließlich der vollständigen Details zur ProbenahmeHandhabung und Zubereitung. Als nächstes zeigen wir, wie leitfähigen Ruß Nanopartikel LCEs hinzugefügt werden können leitfähige, elektrisch ansprechende LCEs zu erzeugen. Wir zeigen dann die Synthese und die Ausrichtung von Epoxid-Basis LCEs. Diese Materialien weisen austauschbare Netzwerk-Bindungen und kann durch Erwärmen auf erhöhte Temperaturen und Anlegen einer gleichmäßigen Belastung ausgerichtet werden. Alle LCEs durch makroskopischen Probenabbildung, Röntgenbeugungsmessungen und dynamisch-mechanischen Analyse charakterisiert. Schließlich zeigen wir eine mögliche Anwendung von LCEs als Form reagierenden Substrate für aktive Zellkultur.

Protokoll

1. Synthese von Aligned Polysiloxan LCEs

1. Kombinieren 166.23 mg von reaktiven Mesogen (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) benzoat), 40 mg Poly (Hydrogenmethylsiloxan-) und 12,8 mg an Vernetzer (1,4-Di (10-undecenyloxybenzene) ³⁰ mit 0,6 ml wasserfreiem Toluol in einem kleinen Fläschchen (ca. 13 mm Durchmesser und 100 mm Länge) mit einem Rührstab beschickt. Man rührt die Lösung bei 35 ° C für 25 min zu lösen.
2. In einem separaten Fläschchen, bereiten eine Lösung von 1 Gew% Dichlor (1,5-cyclooctadien) platin (II) Katalysator in Dichlormethan. In 30 ul Katalysatorlösung auf die Reagenzien aus Schritt 1.1 über eine Pipette, rühren, um zu mischen, und gießen Sie die Lösung in einem maßgeschneiderten (3 cm x 2 cm x 1 cm) rechteckigen Polytetrafluorethylen (PTFE) Form. Decken Sie die Form lose mit einem Glasobjektträger und in Wärmeofen bei 60 ° C für 30 min unter Schütteln regelmäßig Blasen während der ersten 15 Minuten zu entfernen.
3. Entfernen Form von Wärmeofen und cool mit flüssigem Stickstoff durch flüssigen Stickstoff in einen kleinen Behälter gießt und den Boden des PTFE-Form mit dem flüssigen Stickstoff für 2 Sekunden kontaktiert.
   1. Sobald die Mischung abgekühlt ist, entfernen Sie vorsichtig Elastomer aus der Form einer Metallspachtel und auf einer PTFE-Folie platzieren. Schneiden Sie die Kanten des LCE mit einer Rasierklinge und schnitt den LCE entlang seiner Länge in drei gleich große Stücke (ca.. 2,7 cm Länge und 0,5 cm Breite).
4. Hängen jedes Stück mit einem Ende an einer horizontalen Stange und befestigen Büroklammern 10 (4,4 g) mit dem anderen Ende des LCE. Halten Sie die LCE an Ort und Stelle mit Klebeband und fügen Büroklammern ein zu einer Zeit in 10 Minuten-Schritten. Hängen Sie das LCE für 7 Tage bei Raumtemperatur und stellt fest, Änderungen in der Länge und Einheitlichkeit. Verwerfen Probe, die reißt oder bricht. Entfernen Proben und lagern bei Umgebungs.

2. Herstellung von elektrisch ansprechende Polysiloxan LCE Nanokomposite

1. Um LCE Nanokomposite mit Ruß Vorbereitung durch die ZerstreutenMasse der Probe, erste wiederholen Sie die Schritte 1,1-1,4 oben. Hinzufügen 4,38 mg Ruß Nanopartikel zu der Reaktionslösung, die reaktive Mesogen, Vernetzer und Siloxan. Verwenden Sie insgesamt 5 Büroklammern statt 10 zum Laden.
2. Um zusätzliche Ruß Nanopartikel an die Oberfläche LCE hinzuzufügen, bereiten 1% w / v Lösung von Ruß Nanopartikel in Toluol. Ultraschallbehandlung für 20 min Nanopartikel zu dispergieren und dann die Dispersion in eine Petrischale gießen. Tauchen Sie die LCEs aus Schritt 2.1 in der Nanopartikeldispersion für 6 Stunden.
3. Nach 6 Stunden, verwenden Sie eine Pipette die Lösung aus der Petrischale zu entziehen und damit das Elastomer an der Luft trocknen. reinigen sanft überschüssige Kohlenstoffpartikel auf der Oberfläche mit Klebeband oder einem Wattestäbchen.

3. Herstellung von Wende Epoxy-basierte LCEs

1. Mix 246,15 mg 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ^31, 101 mg Sebacinsäure, 71,6 mg Hexadecandisäure, und 76 mg carboxydecyl-terminierten PolydiMethylsiloxan in einem maßgeschneiderten (3 cm x 2 cm x 1 cm) rechteckigen PTFE-Form. Erhitzen Sie die Proben durch auf einer Heizplatte bei 180 ° C stellen.
   1. In 11,48 mg (1,5,7-Triazabicyclo [4.4.0] dec-5-en) Katalysator und rühren Sie mit Hilfe von Metallpinzetten vorgewärmt auf 180 ° C. Nachreagieren, bis das Gemisch ein Gel bildet, nach ca. 20 min, und unter Rühren periodisch Blasen durch die Reaktion erzeugte zu entfernen.
2. Entfernen Sie die PTFE-Boot von der Kochplatte und ermöglichen auf RT abkühlen. Verwenden einer Rasierklinge das Elastomer aus der PTFE-Form zu trennen.
3. Zeigen zwei PTFE-Folien in einem Polymer-Presse bei 180 ° C. Platzieren des Elastomers aus Schritt 3.2 zwischen den PTFE-Folien und komprimiert die Probe auf eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm. Weiter Erhitzen bei 180 ° C für 4 Stunden.
4. Entfernen Sie die Probe und auf RT abkühlen. Schneiden Sie die Probe in rechteckige Stücke (etwa 2,5 cm Länge und 0,5 cm Breite). Hängen Sie die Probe an einem Ende mit Polyimid-Band in einem Heizofen. Bringen Sie 12 paperclips (8,88 g) mit dem freien Ende der Probe. Eingestellt, die Temperatur des Heizofens auf 165 ° CO / N, oder für 12 bis 16 Stunden.
5. Entfernen Sie das Elastomer aus der Heizofen und beachten Sie die Änderung in der Länge. Die Probe wird auf 80 ° C auf einer Heizplatte Restspannung zu entfernen, dann auf RT abkühlen zurück.

4. Prüfung und Charakterisierung von LCEs

1. Messen reversible Dehnung durch Erhitzen der Proben auf einer Heizplatte auf 120 ° C und Abbildung mit einer Kamera. Man beachte die anfängliche Probenlänge bei RT, die Probenlänge nach dem Erhitzen auf 120 ° C, und der Länge nach Abkühlen auf RT zurück. LCEs sollte beim Abkühlen um ca. 30% und kehren in ihre ursprüngliche Länge zusammenzuziehen. Siehe beispielsweise Bilder in 1A und 1B gezeigt.
2. Analysieren Phasenübergangstemperatur und Glasübergangs durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) durch ein kleines Stück von jedem LCE und Scannen von 0 ° C bis 150 ° C bei einer Erwärmungs / co SchneidOling Geschwindigkeit von 10 ° C / min ^32,33.
3. Quantifizierung des Grades der Flüssigkristallausrichtung durch Röntgenbeugungsmessungen. Platz Proben in einem Röntgendiffraktometer mit 2D-Imaging-Funktionen. ³³ Siehe beispielsweise Beugungsbilder in Abbildung 2 gezeigt.
   Hinweis: Das Beugungsbild anisotrop sein sollte, was die Ausrichtung des LCE ^33. Polysiloxan LCEs sind nematische und Epoxid-Basis LCEs eine smektische Phase aufweisen.
4. Messen Steifigkeit des LCE und Veränderung in Länge und Breite dynamisch-mechanische Analyse unter Verwendung von (DMA). Aufzeichnungslänge und Steifigkeit sich in Abhängigkeit der Temperatur für LCEs und als Funktion der elektrischen Spannung für den LCE Nanokompositen.
   1. Für thermomechanische Messungen, eine Rasierklinge verwenden, um manuell geschnitten Proben auf Abmessungen von 2 cm x 0,3 cm und sorgfältig befestigen zwischen Spannklemmen. Tragen Sie eine Kraft von 1 mN sie zu spannen.
      1. Thermisch Gleichgewicht Proben bei 30 ° C Follogeführt durch Heiz- und Kühlzyklen bei 5 ° C / min. Wärme Probe von 30 ° C bis 120 ° C. Temperaturänderungen erzeugen Veränderungen in der Länge und Breite der Probe, die während der DMA-Messung aufgezeichnet werden. Siehe 3A für thermomechanische Messungen eines LCE Probe.
   2. Für elektromechanische Messungen manuell geschnitten LCE Nanokomposit Proben Abmessungen von 2 cm x 0,3 cm und einen Kupferdraht an den entgegengesetzten Enden der LCE Nanokomposite Klebe ein Silberepoxid verwenden. Befestigen Sie das LCE Nanokomposit-Spannklemmen mit 1 mN Spannung verwenden.
      1. Anwenden eines elektrischen Potentials durch die Kupferdrähte bei einer Spannung im Bereich von 0 - 60 V, einer Frequenz von 60 Hz und einem Ein / Aus-Impulsdauer von 0,1 sec - 30 sec.
      2. Nehmen Formänderungen in Reaktion auf das elektrische Potential. Tragen Sie eine feste Kraft von 1 mN zu spannen. Die Veränderung der Position der Klammern entspricht Veränderungen in der Probe zu bestimmen. siehe FiguWieder 3B für elektromechanische Messungen eines LCE Nanokomposit-Probe.

5. Aktive Zellkultur durch Elektrostimulation des LCE Nanokomposite

1. Behandeln einer Oberfläche des LCE Nanokomposite unter Sauerstoffplasma für 30 Sekunden. Schleuderguss 300 ul einer Lösung von Polystyrol in Toluol (1% w / v) bei 3.300 rpm für 1 min auf der Oberseite des Plasma gereinigten Oberfläche. Trocknen des Elastomers unter Vakuum für 12 Stunden zur Entfernung von Toluol und behandelt den Polystyrol-beschichtete Oberfläche des LCE Nanokomposit mit Sauerstoffplasma für 30 sec.
2. Platzieren LCE Nanokomposite in 70% Ethanollösung für 30 min, um die Oberfläche zu sterilisieren.
   1. Waschen Sie die LCE Nanokomposit mit phosphatgepufferter Salzlösung und übertragen die LCE zu einem trockenen Petrischale mit der Polystyrol-beschichteten Seite nach oben zeigt. Beschichten der gesamten Oberfläche des LCE durch in 5 ml eines Rattenschwanzkollagen Typ-I-Lösung (50 ug / ml in 0,02 N Essigsäure) eingetaucht wird. Inkubation des LCE nanocomposite bei 37 ° C und 5% _{CO 2} für mindestens 30 min.
3. Isolieren von neugeborenen Ratten Kardiomyozyten und suspendieren in High-Serum Plattenmedien wie zuvor ¹¹ ausgewiesen.
   1. 600.000 Zellen / cm ² - Plate Zellen auf der LCE Substrate in einer Dichte von 100.000 wie oben beschrieben. Etwa 24 Stunden später, übertragen die Zellen zu niedrigen Serum-Erhaltungsmedium (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% FBS und Antibiotika). Zulassen Kardiomyozyten zu befestigen und auf der Oberfläche des LCE für 4 Tage vermehren.
4. Design und Herstellung eines benutzerdefinierten Gefäß eine 3-D-Drucker verwenden und mit dem Schema des Schiffes in 4 gezeigt Protokoll des Herstellers verwendet wird.
   Hinweis: Die 3D Behälter gedruckt ist ein rechteckiger Behälter mit Außenabmessungen von 60 mm x 40 mm x 20 mm und Innenabmessungen von 50 mm x 30 mm x 15 mm. An zwei Seitenflächen, gibt es zwei Sätze von 5 mm Löcher zum Einsetzen leitfähigen Kohlenstoffstangen verwendet. Kerbees um die Löcher herum und bis zu dem oberen Rand des Behälters erlauben, um eine rechteckige Kunststoffteil (Abmessung von 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) über dem Gefäß Anordnen des LCE anstelle an beiden Enden zu halten. Der Abstand zwischen den Löchern beträgt 3 mm auf einer Seite des Schiffes, und Kerben sind um die Löcher herum angeordnet, wie in 4 gezeigt ist. Dies soll mit der Größe der LCE Substraten oben beschrieben kompatibel. Leitfähigen Kohlenstoffstäbe werden über einen kommerziellen Anbieter erhalten, wie in der Material Supplement gezeigt.
   1. Kohlenstoffstangen durch die Löcher in den Gefäßen einsetzen und an Ort und Stelle mit medizinischem Silikon Klebstoff halten. Härten des Klebstoffs O / N.
5. Transfer LCE Nanokomposite mit Herzmuskelzellen zu einer benutzerdefinierten 3D-Druckgefäß gefüllt mit Zellkulturerhaltungsmedium und mit parallelen leitenden Kohlenstoffstangen zu einer Stromquelle verbunden ist. Legen Sie das LCE über die Kohlenstoffstangen und befestigen an einem Ende einen elektrischen Kontakt zu gewährleisten.
   1. Legen Sie eine rechteckige Kunststoffteil durch die Kerben in der 3-D-Schiff, das die LCE an Ort und Stelle an einem oder an beiden Enden zu halten, aber stellen diese lose über den LCE Probe. Elektrisch stimulieren LCE durch Anwendung einer 40 V AC elektrische Potential mit einer 5 sec / Ausschaltzeit für insgesamt 24 Stunden.
6. Fleck der Membran lebender Zellen mit Calcein AM wie zuvor ¹¹ beschrieben.
7. Für Kerne Färbung, decken Sie die Zellen mit DAPI-haltigen Montagemedium vor der Bilderzeugung unter einem umgekehrten Fluoreszenzmikroskop. Verwendung des Best-Fit-Funktion können ImageJ die Anzahl der lebenden Zellen zu zählen und den Winkel der Ausrichtung der Zellen bestimmen.

6. Aktive Zellkultur mit LCEs Direktheizung verwenden

1. Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,3 oben mit einem reinen LCE ohne Ruß-Nanopartikel zugesetzt. Dieses Verfahren wird auch im Detail in einer Vorveröffentlichung beschrieben. ¹¹
2. Übertragen Sie die LCE mit Kardiomyozyten in eine Petri dish mit Zellkulturerhaltungsmedium und einer 0,5 "x 2" Kapton Widerstandsheizung. Versorgungs Wärme an das LCE von mit einer Heizleistung von 12 W. Zyklus auf der Widerstandsheizung Ein- und Ausschalten der Wärme mit 5 sec Intervallen für mindestens 24 Stunden.

Ergebnisse

Monodomäne LCEs sind Form ansprechenden durch Kopplung von Netz Konformation mit Flüssigkristall-Bestellung. Heizung LCEs führt zu einer Abnahme in der Flüssigkristall-Ordnungsparameter, eine Kontraktion des Polymernetzwerk entlang der primären Orientierungsrichtung zu erzeugen. Dies wird einfach durch Plazieren eines LCE auf einer Heizplatte sichtbar gemacht, wie in 1A und 1B gezeigt. In Erwärmung entlang der Länge der Probe von RT, die LCE Vertr...

Diskussion

In order to produce monodomain LCEs, the LCEs need to be uniaxially loaded during crosslinking. This is challenging in practice because the LCE is loaded when it is only partially crosslinked, and therefore is not mechanically robust and can easily break or tear. The procedure described above (steps 1.1 - 1.4) can produce monodomain LCEs consistently. One critical step is the removal of the LCE from the PTFE mold for loading at the appropriate time. If the LCE is removed too quickly, it will easily break or tear. On the...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
4-methoxyphenyl 4-(3-butenyloxy)benzoate	TCI America	M2106	Reactive mesogen
poly(methylhydrosiloxane)	Gelest	HMS-993	Reactive polysiloxane
1,4-di(10-undecenyloxybenzene)	N/A	N/A	see: Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. Bis-isoxazolidines: A new class of corrosion inhibitors of mild steel in acidic media. Corrosion Science. 50 (11), 3070–3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)
(dichloro(1,5-cyclooctadiene)-platinum(II)	Sigma Aldrich	244937	Pt catalyst
PTFE mold	N/A	N/A	fabricated at Rice machine shop
carbon black nanoparticles	Cabot	VULCAN® XC72R	used in the synthesis of LCE nanocomposites
polystyrene	Sigma Aldrich	331651	linear polystyrene
4,4'-diglycidyloxybiphenyl	N/A	N/A	see:  Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. Liquid Crystalline Epoxy Thermosets. Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology. Section A. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 266 (1), 9–22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995).
sebacic acid	Sigma Aldrich	283258	C8 linking group for epoxy-LCE synthesis
hexadecanedioic acid	Sigma Aldrich	177504	C16 linking group for epoxy-LCE synthesis
carboxydecyl-terminated polydimethylsiloxane	Gelest	DMS-B12	Siloxane linking group for epoxy-LCE synthesis
1,5,7-triazabicyclo[4.4.0] dec-5-ene	Sigma Aldrich	345571	catalyst for reversible LCEs
carbon rods	Ladd Research	30250	used in cell culture experiments
medical grade silicone adhesive	Silbione	MED ADH 4100 RTV	used to adhere carbon rods to vessel