Preparación de monodominio de cristal líquido elastómeros y elastómeros de cristal líquido nanocompuestos

Resumen

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.

Resumen

LCE son materiales de forma que responde con potenciales aplicaciones en la medicina cambio totalmente reversible forma y, la ingeniería de tejidos, músculos artificiales y robots como blandas. Aquí, nos demuestran la preparación de elastómeros de forma sensible de cristal líquido (LCE) y nanocompuestos LCE junto con la caracterización de su forma-respuesta, las propiedades mecánicas y la microestructura. Dos tipos de las LCE - a base de polisiloxano y basados ​​en epoxi - se sintetizan, alineados, y se caracterizaron. LCE a base de polisiloxano se preparan a través de dos pasos de reticulación, el segundo bajo una carga aplicada, lo que resulta en las LCE monodominio. nanocompuestos de polisiloxano LCE se preparan mediante la adición de nanopartículas de negro de carbón conductor, tanto a lo largo de la mayor parte de la LCE y a la superficie LCE. LCE basados ​​en epoxi se preparan a través de una reacción de esterificación reversible. LCE basados ​​en epoxi están alineados a través de la aplicación de una carga uniaxial a elevada (160 ° C) temperatures. LCE alineados y nanocompuestos LCE se caracterizan con respecto a la tensión reversible, rigidez mecánica, y el pedido de cristal líquido utilizando una combinación de formación de imágenes, las mediciones de difracción de rayos X de dos dimensiones, calorimetría diferencial de barrido, y el análisis mecánico dinámico. LCE y nanocompuestos LCE se pueden estimular con calor y / o potencial eléctrico para generar de forma controlable las cepas en los medios de cultivo celular, y que demuestran la aplicación de las LCE como sustratos de forma sensible para el cultivo celular utilizando un aparato de medida.

Introducción

Materiales que pueden exhibir cambios rápidos, reversibles, y programables de forma son deseables para una serie de aplicaciones emergentes ^1-9. Los stents de la forma sensible pueden ayudar en la curación de heridas y tratamiento ^7. Robots artificiales pueden ayudar en la exploración o en la realización de tareas en entornos que son dañinos o peligrosos para los seres humanos ^10. Elastómeros de la forma sensible son deseables para uso en cultivo celular activa, en la que las células se cultivan en un ambiente activo. ^11-14 Otras aplicaciones incluyen el embalaje, de detección, y la administración de fármacos.

Elastómeros de cristal líquido (LCE) son redes de polímero de cristal líquido con el pedido ^15-20. LCE se realizan mediante la combinación de una red de polímero flexible con moléculas de cristal líquido conocidas como mesógenos. La capacidad de respuesta de las LCE se deriva del acoplamiento de orden de cristal líquido a las cepas en la red polimérica, y los estímulos que influyen en el orden de los mesógenos voluntad gencepas del tipo de red, y viceversa. Para lograr grandes y reversibles forma-cambios en la ausencia de una carga externa, los mesógenos deben estar alineados en una sola dirección en el LCE. Un reto práctica común en el trabajo con las LCE está generando monodominio LCE. Otro desafío está generando cambios en la forma en respuesta a estímulos distintos calentamiento directo. Esto se puede hacer a través de la adición de las nanopartículas o colorantes a las redes LCE ^21-28.

Aquí, nos demuestran la preparación de las LCE monodominio y nanocompuestos LCE. En primer lugar, se demuestra la preparación de las LCE monodominio utilizando el método de dos pasos por primera vez por Kupfer et al. ²⁹ Esto sigue siendo el método más popular y conocido para la preparación de las LCE monodominio, pero el logro de alineación y consistencia uniforme entre muestras puede ser un reto . Demostramos un enfoque que puede ser fácilmente implementado utilizando equipos de laboratorio estándar, incluyendo todos los detalles sobre el muestreomanipulación y preparación. A continuación, se muestra cómo las nanopartículas de negro de carbón conductor se pueden añadir a las LCE para producir las LCE conductores, eléctricamente sensible. a continuación, se demuestra la síntesis y la alineación de las LCE basados ​​en epoxi. Estos materiales presentan enlaces de red intercambiables y se pueden alinear por calentamiento a temperaturas elevadas y la aplicación de una carga uniforme. Todas las LCE se caracterizan a través de imágenes de muestra macroscópica, medidas de difracción de rayos X y análisis mecánico dinámico. Por último, demostrar una posible aplicación de las LCE como sustratos de forma sensible para el cultivo celular activa.

Protocolo

1. Síntesis de las LCE Alineados polisiloxano

1. Combinar 166.23 mg de mesógeno reactivo (4-metoxifenil 4- (3-buteniloxi) benzoato de metilo), 40 mg de poli (hidrometilsiloxano), y 12,8 mg de agente de reticulación (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) ³⁰ con 0,6 ml de anhidro tolueno en un frasco pequeño (aproximadamente 13 mm de diámetro y 100 mm de longitud) cargadas con una barra de agitación. Se agita la solución a 35 ° C durante 25 minutos para disolver.
2. En un vial separado, preparar una solución de 1% en peso de dicloro (1,5-ciclooctadieno) platino catalizador (II) en diclorometano. Añadir 30 l de solución de catalizador a los reactivos de la etapa 1.1 a través de la pipeta, agitar para mezclar, y se vierte la solución en una (2 cm x 1 cm 3 cm x) de molde a medida politetrafluoroetileno rectangular (PTFE). Cubrir el molde sin apretar con un portaobjetos de vidrio y el lugar en el horno de calentamiento a 60 ° C durante 30 min mientras se agita periódicamente para eliminar las burbujas durante la primera 15 min.
3. Quitar el molde del horno de calentamiento y cool con nitrógeno líquido mediante el vertido de nitrógeno líquido en un recipiente pequeño y en contacto con la parte inferior del molde de PTFE con el nitrógeno líquido durante 2 s.
   1. Una vez que la mezcla se haya enfriado, retirar con cuidado elastómero del molde con una espátula de metal y colocar en la parte superior de una hoja de PTFE. Recortar los bordes de la LCE usando una hoja de afeitar y cortar el LCE largo de su longitud en tres piezas de igual tamaño (aprox. 2,7 cm de longitud y 0,5 cm de ancho).
4. Colgar cada pieza por un extremo a una varilla horizontal y adjuntar 10 clips (4,4 g) al otro extremo de la LCE. Mantenga el LCE en su lugar con cinta, y añadir clips de una en una en incrementos de 10 min. Colgar la LCE durante 7 días a temperatura ambiente, teniendo en cuenta los cambios en la longitud y uniformidad. Descarte cualquier muestra que desgarra o se rompe. Extraer muestras y almacenar a temperatura ambiente.

2. Preparación de polisiloxano eléctricamente sensible nanocompuestos LCE

1. Para preparar nanocompuestos LCE con negro de humo dispersado a través de lagrueso de la muestra, primero repita los pasos 1.1 a 1.4 anteriormente. Añadir nanopartículas negro 4,38 mg de carbono a la solución de reacción que contiene mesógeno reactivo, agente de reticulación, y de siloxano. Use un total de 5 clips en lugar de 10 para la carga.
2. Con el fin de añadir las nanopartículas de negro de carbono adicional a la superficie LCE, preparar 1% w / v de solución de nanopartículas de carbono negro en tolueno. Someter a ultrasonidos durante 20 min para dispersar nanopartículas y luego se vierte la dispersión en una placa de Petri. Sumergir las LCE desde el paso 2.1 en la dispersión de nanopartículas durante 6 horas.
3. Después de 6 horas, utilizar una pipeta para retirar la solución de la placa de Petri y permitir que el elastómero se seque al aire. limpiar suavemente el exceso de partículas de carbono en la superficie usando cinta adhesiva o un hisopo de algodón.

3. Preparación de las LCE base epoxídica reversible

1. Mezclar 246,15 mg de 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ^31, 101 mg de ácido sebácico, 71,6 mg de ácido hexadecanodioico, y 76 mg de polidi carboxidecil terminadosmetilsiloxano en un (3 cm x 2 cm x 1 cm) rectangular molde de PTFE o hechos a medida. Calentar las muestras mediante la colocación sobre una placa caliente a 180 ° C.
   1. Añadir 11,48 mg de (1,5,7-triazabiciclo [4.4.0] dec-5-eno) catalizador y remover con unas pinzas de metal precalentado a 180 ° C. Continuar la reacción hasta que la mezcla forma un gel, después de aproximadamente 20 min, y se agita periódicamente para eliminar las burbujas generadas por la reacción.
2. Retire el barco de PTFE de la placa caliente y dejar enfriar a temperatura ambiente. Utilice una hoja de afeitar para separar el elastómero del molde de PTFE.
3. Colocar dos hojas de PTFE en una prensa de polímero a 180 ° C. Coloque el elastómero de la etapa 3.2 entre las láminas de PTFE y comprimir la muestra a un espesor de 0,3 - 0,5 mm. Continuar calentando a 180 ° C durante 4 horas.
4. Retire la muestra y enfriar a temperatura ambiente. Cortar la muestra en trozos rectangulares (aproximadamente 2,5 cm de longitud y 0,5 cm de ancho). Colgar la muestra en un extremo usando cinta de poliimida dentro de un horno de calentamiento. Adjuntar 12 paperclips (8,88 g) al extremo libre de la muestra. Ajuste la temperatura del horno de calentamiento a 165 ° CO / N, o por 12 - 16 horas.
5. Retire el elastómero del horno de calentamiento y tenga en cuenta el cambio de longitud. Calentar la muestra a 80 ° C sobre una placa caliente para eliminar la tensión residual a continuación enfriar de nuevo a RT.

4. Pruebas y Caracterización de las LCE

1. Medir la deformación reversible por calentamiento de las muestras sobre una placa caliente a 120 ° C y de formación de imágenes con una cámara. Tenga en cuenta la longitud inicial de la muestra a TA, la longitud de la muestra después de calentar a 120 ° C, y la longitud después de volver a enfriar a RT. LCE deben contraerse en aproximadamente un 30% y volver a su longitud inicial al enfriar. Ver ejemplo imágenes que se muestran en la Figura 1A y 1B.
2. Analizar temperatura de transición de fase y de transición vítrea mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) cortando una pequeña pieza de cada LCE y el escaneado desde 0 ° C a 150 ° C a una calefacción / covelocidad de 10 ° C Oling / min ^32,33.
3. Cuantificar el grado de alineación de cristal líquido mediante medidas de difracción de rayos-X. Colocar las muestras en un difractómetro de rayos X con capacidades de imagen 2D. ³³ Ver imágenes de difracción de ejemplo que se muestran en la Figura 2.
   Nota: La imagen de difracción debe ser anisotrópico, lo que refleja la alineación de la LCE ^33. LCE polisiloxano son las LCE nemáticos y basados ​​en epoxi exhiben una fase esméctica.
4. Medir la rigidez de LCE y el cambio en longitud y anchura usando análisis mecánico dinámico (DMA). La longitud de registro y cambios de rigidez como una función de la temperatura para las LCE y como una función de potencial eléctrico para los nanocompuestos LCE.
   1. Para las mediciones termo-mecánicas, utilice una hoja de afeitar para cortar manualmente muestras de dimensiones de 2 cm x 0,3 cm y con cuidado en sujetar entre las abrazaderas de tensión. Aplicar una fuerza de 1 mN para tensarla.
      1. Equilibre térmicamente las muestras a 30 ° C Folloconducido por los ciclos de calentamiento y enfriamiento a 5 ° C / min. muestra de calor de 30 ° C hasta 120 ° C. Los cambios de temperatura provocan cambios en la longitud y anchura de la muestra, que se registran durante la medición DMA. Vea la Figura 3A para las medidas termomecánicas de una muestra LCE.
   2. Para las mediciones electromecánicos, cortar manualmente muestras de nanocompuestos LCE a las dimensiones de 2 cm x 0,3 cm y la cola de un alambre de cobre en los extremos opuestos de los nanocompuestos LCE utilizando un epoxi de plata. Fijar el nanocompuesto LCE utilizando abrazaderas de tensión con 1 mN tensión.
      1. Aplicar un potencial eléctrico a través de los cables de cobre a una tensión que va de 0 - 60 V, una frecuencia de 60 Hz, y una en la duración / off de impulsos que van desde 0,1 seg - 30 sec.
      2. cambios en la forma de grabación en respuesta al potencial eléctrico. Aplicar una fuerza fija de 1 mN para eliminar la holgura. El cambio de posición de las abrazaderas corresponde a cambios de forma de la muestra. ver Figure 3B para las mediciones electromecánicos de una muestra LCE nanocompuesto.

5. Cultura celda activa a través de la estimulación eléctrica de la LCE nanocompuestos

1. El tratamiento de una superficie de nanocompuestos LCE bajo plasma de oxígeno durante 30 segundos. Molde de la vuelta 300 l de una solución de poliestireno en tolueno (1% w / v) a 3300 rpm durante 1 min en la parte superior de la superficie de plasma limpiado. Se seca el elastómero al vacío durante 12 horas para eliminar el tolueno, y el tratamiento de la superficie de poliestireno recubierto de material nanocompuesto de la LCE mediante plasma de oxígeno durante 30 segundos.
2. Coloque nanocompuestos LCE en solución de etanol al 70% durante 30 minutos para esterilizar la superficie.
   1. Lavar el nanocompuesto LCE con solución salina tamponada con fosfato y transferir el LCE a un plato de Petri en seco con el lado recubierto de poliestireno hacia arriba. Escudo toda la superficie de la LCE por inmersión en 5 ml de una solución de colágeno tipo I de cola de rata (50 g / ml en 0,02 N de ácido acético). Incubar la LCE nanocomposite a 37 ° C y _5% de CO2 durante al menos 30 minutos.
3. Aislar los cardiomiocitos ventriculares de rata neonatal y suspender en medio de siembra de alta suero como se informó anteriormente ^11.
   1. Células de la placa en la parte superior de sustratos LCE describen como anteriormente a una densidad de 100.000 - 600.000 ^células / cm2. Alrededor de 24 horas más tarde, transferir las células a un medio bajo en suero de mantenimiento (DMEM, 18,5% M199, HS al 5%, 1% de FBS y antibióticos). Permitir que los cardiomiocitos para sujetar y proliferan en la superficie de la LCE durante 4 días.
4. Diseñar y fabricar un recipiente personalizado utilizando una impresora 3-D y usando el esquema de la embarcación mostrada en la figura 4 usando el protocolo del fabricante.
   Nota: El 3D impreso recipiente es un recipiente rectangular con unas dimensiones exteriores de 60 mm x 40 mm x 20 mm y dimensiones internas de 50 mm x 30 mm x 15 mm. En dos superficies laterales, hay dos conjuntos de orificios de 5 mm se utilizan para la inserción de varillas de carbono conductoras. Muescaes alrededor de los agujeros y hasta el borde superior del recipiente permiten la colocación de una pieza de plástico rectangular (dimensiones de 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) a través del vaso para mantener el LCE en su lugar en ambos extremos. La distancia entre los orificios es de 3 mm en un lado de la embarcación, y las muescas están situados alrededor de los orificios, como se muestra en la Figura 4. Esto está diseñado para ser compatible con el tamaño de los sustratos LCE descritos anteriormente. varillas de carbón conductor se obtienen a través de un proveedor comercial tal como se muestra en el Suplemento Materiales.
   1. Insertar barras de carbono a través de los agujeros a través de los vasos y mantenga en su lugar con pegamento de silicona de grado médico. Curar el adhesivo S / N.
5. nanocompuestos Transfer LCE con cardiomiocitos a un recipiente de encargo 3D impreso llena con medio de mantenimiento de cultivo de células y con varillas de carbono conductores paralelos conectados a una fuente eléctrica. Coloque el LCE a través de las varillas de carbono y fijar en un extremo para asegurar el contacto eléctrico.
   1. Inserte una pieza rectangular de plástico a través de las muescas en el recipiente 3-D para mantener la LCE en su lugar en uno o ambos extremos, pero este lugar sin apretar sobre la muestra LCE. Eléctricamente estimular LCE a través de la aplicación de un potencial eléctrico 40 V de CA con un 5 sec on / off tiempo para un total de 24 hr.
6. Tinción de la membrana de las células vivas utilizando calceína AM como se ha descrito previamente ^11.
7. Para la tinción de los núcleos, cubrir las células con DAPI que contienen medio de montaje antes de imágenes en un microscopio de fluorescencia invertida. Utilice ImageJ para contar el número de células vivas y determinar el ángulo de alineación de celdas utilizando la función de mejor ajuste.

6. Cultivo celular activa con las LCE utilizando calentamiento directo

1. Repita los pasos 5.1 hasta 5.3 anterior usando un LCE puro sin nanopartículas de carbono negro Añadido. Este procedimiento también se describe en detalle en una publicación anterior. ¹¹
2. La transferencia de la LCE con cardiomiocitos a un d Petriish con los medios de mantenimiento del cultivo celular y un 0,5 "x 2" Kapton calentador resistivo. suministrará calor a la LCE activando el calentador resistivo con una potencia de calentamiento de 12 W. Ciclo de encendido y apagado del calor con intervalos de 5 segundos durante al menos 24 horas.

Resultados

LCE son monodominio forma sensible debido al acoplamiento de la conformación de la red con el ordenamiento de cristal líquido. Calefacción LCE resulta en una disminución en el parámetro de orden de cristal líquido, produciendo una contracción de la red polimérica a lo largo de la dirección de alineación primaria. Esto es fácilmente visualizado por la colocación de un LCE sobre una placa caliente, como se muestra en la Figura 1A y 1B. En el ca...

Discusión

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...

Materiales

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