Préparation de monodomaine à cristaux liquides élastomères et élastomères cristaux liquides nanocomposites

Résumé

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.

Résumé

LCES sont des matériaux de forme sensible avec changement entièrement réversible de la forme et des applications potentielles dans la médecine, l'ingénierie tissulaire, les muscles artificiels, et les robots mous. Ici, nous démontrons la préparation d'élastomères de forme sensible à cristaux liquides (CIEM) et nanocomposites LCE avec la caractérisation de leur forme, la réactivité, des propriétés mécaniques, et la microstructure. Deux types de LCES - à base de polysiloxane et à base d'époxy - sont synthétisés, alignés, et caractérisés. LCES à base de polysiloxane sont préparés en deux étapes de réticulation, la seconde sous une charge appliquée, ce qui entraîne LCES monodomaines. nanocomposites polysiloxane LCE sont préparés par l'ajout de nanoparticules conductrices de noir de carbone, à la fois dans la masse de la LCE et à la surface du LCE. LCES à base d'époxy sont préparés par une réaction d'estérification réversible. LCES à base d'époxy sont alignés par l'application d'une charge uniaxiale à élevée (160 ° C) temperatures. LCES alignés et nanocomposites LCE sont caractérisées par rapport à la souche réversible, rigidité mécanique, et la commande à cristaux liquides en utilisant une combinaison de l'imagerie, bidimensionnels mesures de diffraction des rayons X, calorimétrie différentielle à balayage, et l'analyse mécanique dynamique. LCES et nanocomposites LCE peuvent être stimulés par la chaleur et / ou de potentiel électrique pour générer de manière contrôlée des souches dans les milieux de culture cellulaire, et nous montrent l'application de LCES comme substrats de forme sensible pour la culture cellulaire en utilisant un appareil sur mesure.

Introduction

Les matériaux qui peuvent présenter des changements de forme rapide, réversible et programmables sont souhaitables pour un certain nombre de nouvelles applications ^1-9. Stents de forme sensible peuvent aider à la guérison et le traitement ⁷ plaie. Robots artificiels peuvent aider à l'exploration ou à l'exécution des tâches dans des environnements qui sont nocifs ou dangereux pour l'homme ^10. Élastomères de forme sensible sont souhaitables pour une utilisation dans la culture de cellule active, dans lequel les cellules sont cultivées dans un environnement actif. ^11-14 Autres applications comprennent l'emballage, la détection et la délivrance de médicaments.

Les élastomères à cristaux liquides (LCE) sont des réseaux polymères à cristaux liquides ^{15 à 20} commander. LCES sont faites en combinant un réseau de polymère flexible avec des molécules de cristaux liquides connus sous le nom mésogènes. La réactivité de LCES est dérivée de l'accouplement de commande de cristaux liquides à des tensions dans le réseau polymère, et les stimuli qui influent sur la commande de gène sera mésogènessouches de réseau de taux, et vice versa. Afin d'atteindre Shape-changements importants et réversibles en l'absence d'une charge externe, les mésogènes doivent être alignés dans une seule direction dans la LCE. Un défi pratique commune dans le travail avec LCES génère monodomaine LCES. Un autre défi est de générer des changements de forme en réponse à des stimuli autres que le chauffage direct. Cela peut se faire grâce à l'ajout de nanoparticules ou des colorants pour les réseaux de LCE ^21-28.

Ici, nous démontrons la préparation de LCES monodomaines et nanocomposites LCE. Tout d'abord, nous démontrons la préparation de LCES monodomaines en utilisant la méthode en deux étapes la première fois par Kupfer et al. ²⁹ Ceci est encore la méthode la plus populaire et bien connue pour la préparation LCES monodomaine, mais la réalisation de l'alignement uniforme et la cohérence entre les échantillons peut être difficile . Nous démontrons une approche qui peut être facilement mis en œuvre en utilisant l'équipement de laboratoire standard, y compris les détails sur l'échantillonnagemanipulation et la préparation. Ensuite, nous montrons comment les nanoparticules de noir de carbone conducteur peuvent être ajoutés à LCES pour produire LCES conducteurs, électriquement sensible. Nous démontrons ensuite la synthèse et l'alignement des LCES à base d'époxy. Ces matériaux présentent des liaisons de réseau échangeables et peuvent être alignés par chauffage à des températures élevées et de l'application d'une charge uniforme. Tous LCES sont caractérisés par imagerie de l'échantillon macroscopique, les mesures de diffraction des rayons X et l'analyse mécanique dynamique. Enfin, nous démontrons une application potentielle de LCES comme substrats de forme sensible pour la culture cellulaire active.

Protocole

1. Synthèse de alignés Polysiloxane LCES

1. Combiner 166.23 mg de mésogène réactif (4-méthoxyphényle 4- (3-butényloxy) benzoate de méthyle), 40 mg de poly (hydromethylsiloxane), et 12,8 mg d'agent de reticulation (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) ³⁰ avec 0,6 ml d'anhydre toluène dans un petit flacon (environ 13 mm de diamètre et 100 mm de longueur) chargés d'une barre d'agitation. Agiter la solution à 35 ° C pendant 25 min pour se dissoudre.
2. Dans un flacon séparé, préparer une solution de 1% en poids de dichloro (1,5-cyclooctadiène) platine (II) comme catalyseur dans le dichlorométhane. Ajouter 30 ul de solution de catalyseur aux réactifs de l'étape 1.1 via une pipette, remuez pour bien mélanger et verser la solution dans un (cm x 2 cm x 1 cm 3) polytétrafluoroéthylène rectangulaire (PTFE) moule sur-mesure. Couvrir le moule de papier d'une lame de verre et mettre au four de chauffage à 60 ° C pendant 30 min en agitant périodiquement pour éliminer les bulles pendant les 15 premières minutes.
3. Retirer moule du four de chauffage et COOl avec de l'azote liquide en versant de l'azote liquide dans un petit récipient et en contact avec le fond du moule en PTFE avec l'azote liquide pendant 2 secondes.
   1. Une fois le mélange refroidi, retirez soigneusement élastomère du moule à l'aide d'une spatule métallique et placer sur le dessus d'une feuille de PTFE. Couper les bords du LCE en utilisant une lame de rasoir et couper le LCE long de sa longueur en trois morceaux de taille égale (env. 2,7 de longueur et 0,5 cm de largeur de cm).
4. Accrochez chaque pièce par une extrémité à une tige horizontale et fixez 10 trombones (4,4 g) à l'autre extrémité de la LCE. Maintenez la LCE en place avec du ruban adhésif, et d'ajouter des trombones un à la fois par incréments de 10 min. Accrochez la LCE pendant 7 jours à la température ambiante, en notant les changements de longueur et de l'uniformité. Jeter tout échantillon qui se déchire ou se casse. Prélever des échantillons et les stocker à température ambiante.

2. Préparation électriquement polysiloxane Responsive nanocomposites LCE

1. Pour préparer nanocomposites LCE avec du noir de carbone dispersé à travers lemasse de l'échantillon, d'une part répéter les étapes 1.1 à 1.4 ci-dessus. Ajouter 4,38 mg nanoparticules noir de carbone à la solution de réaction contenant un mésogène réactif, agent de réticulation, et siloxane. Utilisez un total de 5 trombones au lieu de 10 pour le chargement.
2. Afin d'ajouter des nanoparticules de noir de carbone supplémentaire à la surface du LCE, préparer 1% p / v de solution de nanoparticules de noir de carbone dans le toluène. Ultrasons pendant 20 min pour disperser des nanoparticules, puis verser la dispersion dans une boîte de Pétri. Plonger les LCES de l'étape 2.1 dans la dispersion des nanoparticules pendant 6 heures.
3. Après 6 heures, en utilisant une pipette de retirer la solution de la boîte de Pétri et l'élastomère permet de sécher à l'air. Nettoyez délicatement particules de carbone en excès sur la surface en utilisant du ruban adhésif ou un coton-tige.

3. Préparation de LCES base-Epoxy réversible

1. Mélanger 246.15 mg de 4,4 diglycidyloxybiphenyl ^31, l'acide sébacique 101 mg, 71,6 mg d'acide hexadécanedioïque, et 76 mg de polydialkyl de carboxydécyle terminéméthylsiloxane dans un (3 cm x 2 cm x 1 cm) moule en PTFE rectangulaire sur-mesure. Chauffer les échantillons en plaçant sur une plaque chauffante à 180 ° C.
   1. Ajouter 11,48 mg de (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] déc-5-ène) catalyseur et remuer à l'aide des pinces métalliques pré-chauffé à 180 ° C. Continuer la réaction jusqu'à ce que le mélange forme un gel après environ 20 min, et on agite périodiquement pour éliminer les bulles générées par la réaction.
2. Retirer le bateau PTFE de la plaque de cuisson et laisser refroidir à température ambiante. Utiliser une lame de rasoir pour séparer l'élastomère de la moule en PTFE.
3. Placez deux feuilles de PTFE dans un communiqué de polymère à 180 ° C. Placer l'élastomère de l'étape 3.2 entre les feuilles de PTFE et de comprimer l'échantillon jusqu'à une épaisseur de 0,3 - 0,5 mm. Continuer à chauffer à 180 ° C pendant 4 heures.
4. Retirer l'échantillon et laisser refroidir à température ambiante. Couper l'échantillon en morceaux rectangulaires (environ 2,5 cm de long et 0,5 cm de largeur). Accrochez l'échantillon à une extrémité avec du ruban polyimide l'intérieur d'un four de chauffage. Fixez 12 paperclips (8,88 g) à l'extrémité libre de l'échantillon. Régler la température du four de chauffage à 165 ° CO / N, ou de 12 à 16 heures.
5. Retirer l'élastomère du four de chauffage et de noter le changement de longueur. Chauffer l'échantillon à 80 ° C sur une plaque chauffante pour éliminer les contraintes résiduelles puis refroidir retour à la température ambiante.

4. Test et caractérisation de LCES

1. Mesurer la déformation réversible en chauffant les échantillons sur une plaque chauffante à 120 ° C et l'imagerie avec une caméra. Noter la longueur initiale de l'échantillon à la température ambiante, la longueur de l'échantillon après chauffage à 120 ° C, et la durée de refroidissement après retour à la température ambiante. LCES devraient se contracter d'environ 30% et de retourner à leur longueur initiale lors du refroidissement. Voir un exemple images de la figure 1A et 1B.
2. Analyser la température de transition de phase et de transition vitreuse par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) en découpant un petit morceau de l'LCE et la numérisation de 0 ° C à 150 ° C, à une installation de chauffage / covitesse de 10 ° C Oling / min ^32,33.
3. Quantifier le degré d'alignement de cristaux liquides par des mesures de diffraction des rayons X. Placer les échantillons dans un diffractomètre à rayons X avec des capacités d'imagerie 2D. ³³ Voir les images exemple de diffraction de la figure 2.
   Remarque: L'image de diffraction doit être anisotrope, ce qui reflète l'alignement de la LCE ^33. LCES polysiloxane sont LCES nématiques et à base d'époxy présentent une phase smectique.
4. Mesurer la rigidité des LCE et modification de la longueur et la largeur en utilisant une analyse mécanique dynamique (DMA). la longueur de la fiche et les changements de rigidité en fonction de la température pour LCES et en fonction du potentiel électrique pour les nanocomposites LCE.
   1. Pour les mesures thermo-mécanique, utiliser une lame de rasoir pour couper manuellement des échantillons aux dimensions de 2 cm x 0,3 cm et soigneusement fixer entre les pinces de tension. Appliquer une force de 1 mn pour le tendre.
      1. équilibre thermique des échantillons à 30 ° C Follomené par des cycles de chauffage et de refroidissement à 5 ° C / min. La chaleur dégagée par l'échantillon de 30 ° C à 120 ° C. Les variations de température entraînent des changements dans la longueur et la largeur de l'échantillon, qui sont enregistrées pendant la mesure DMA. Voir la figure 3A pour la mesure d'un échantillon thermomécaniques LCE.
   2. Pour les mesures électromécaniques, couper manuellement des échantillons nanocomposites LCE aux dimensions de 2 cm x 0,3 cm et coller un fil de cuivre à des extrémités opposées des nanocomposites LCE en utilisant un époxy d'argent. Fixer le nanocomposite LCE en utilisant la tension de serrage avec 1 mN tension.
      1. Appliquer un potentiel électrique à travers les fils de cuivre à une tension allant de 0 à 60 V, une fréquence de 60 Hz, et un interrupteur marche / arrêt durée d'impulsion de 0,1 sec - 30 sec.
      2. des changements de forme de la fiche en réponse au potentiel électrique. Appliquer une force fixe de 1 mn pour éliminer le mou. Le changement de position des pinces correspond à la forme des changements dans l'échantillon. voir Figure 3B pour les mesures électromécaniques d'un échantillon LCE nanocomposite.

5. Actif Culture cellulaire par stimulation électrique du LCE nanocomposites

1. Traiter une surface de nanocomposites LCE sous plasma d'oxygène pendant 30 secondes. Spin coulée 300 ul d'une solution de polystyrène dans du toluène (1% p / v) à 3300 tours par minute pendant 1 minute au-dessus de la surface nettoyée au plasma. Sécher l'élastomère sous vide pendant 12 heures pour éliminer le toluène, et traiter la surface de polystyrène revêtu du nanocomposite LCE en utilisant un plasma d'oxygène pendant 30 secondes.
2. Placer nanocomposites LCE dans une solution d'éthanol à 70% pendant 30 minutes pour stériliser la surface.
   1. Laver le nanocomposite LCE avec une solution saline tamponnée au phosphate et transférer le LCE dans une boîte de Petri à sec avec le côté revêtu de polystyrène orienté vers le haut. Recouvrir la surface entière du LCE par immersion dans 5 ml d'une solution de collagène de type I de queue de rat (50 ug / ml de 0,02 N d'acide acétique). Incuber le n LCEanocomposite à 37 ° C et 5% de CO ₂ pendant au moins 30 min.
3. Isoler néonatales cardiomyocytes ventriculaires de rats et de suspendre en haute sérum médias de placage comme indiqué précédemment ^11.
   1. Cellules de la plaque sur le dessus de substrats de LCE décrits comme ci-dessus à une densité de 100.000 - 600.000 ^{cellules / cm2.} Autour de 24 heures plus tard, transférer les cellules sur un support bas de sérum de maintenance (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% de FBS et des antibiotiques). Cardiomyocytes permettent d'attacher et prolifèrent sur la surface du LCE pendant 4 jours.
4. Concevoir et fabriquer un récipient personnalisé à l'aide d'une imprimante 3-D et en utilisant le schéma de la cuve représentée sur la figure 4 en utilisant le protocole du fabricant.
   Remarque: Le 3D imprimé récipient est un récipient rectangulaire avec des dimensions extérieures de 60 mm x 40 mm x 20 mm et les dimensions internes de 50 mm x 30 mm x 15 mm. Sur deux faces latérales, il y a deux ensembles de trous de 5 mm utilisés pour insérer des tiges de carbone conductrices. Entailleres autour des trous et jusqu'à l'arête supérieure du récipient pour permettre de placer un morceau de plastique rectangulaire (dimensions de 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) à travers le récipient pour maintenir le LCE en place aux deux extrémités. La distance entre les orifices est de 3 mm sur un côté de la cuve, et des encoches sont situés autour des trous, comme illustré sur la figure 4. Il est conçu pour être compatible avec la taille des substrats décrits ci-dessus LCE. des tiges de carbone conductrices sont obtenues par un fournisseur commercial comme indiqué dans le supplément de matériaux.
   1. Insérez des tiges de carbone à travers les trous à travers les vaisseaux et maintenir en place à l'aide de colle silicone de qualité médicale. Durcir l'adhésif O / N.
5. nanocomposites transfert LCE avec cardiomyocytes à un navire 3D-imprimé personnalisé rempli de culture cellulaire médias d'entretien et avec des tiges de carbone conductrices parallèles reliées à une source électrique. Placez le LCE à travers les tiges de carbone et de fixer à une extrémité pour assurer le contact électrique.
   1. Insérez une pièce rectangulaire en plastique dans les encoches dans la cuve 3-D pour maintenir la LCE en place à une ou deux extrémités, mais placer cette lâche sur l'échantillon de LCE. stimuler électriquement LCE par l'application d'un potentiel électrique de 40 V avec un courant alternatif 5 sec marche / arrêt du temps pour un total de 24 heures.
6. Colorer la membrane de cellules vivantes en utilisant la calcéine AM ¹¹ comme décrit précédemment.
7. Pour les noyaux coloration, couvrir les cellules avec DAPI milieu contenant de montage avant de l'imagerie sous un microscope à fluorescence inversé. Utiliser ImageJ pour compter le nombre de cellules vivantes et de déterminer l'angle d'alignement des cellules en utilisant la fonction de meilleure forme.

6. Actif culture cellulaire avec LCES utilisant un chauffage direct

1. Répétez les étapes 05.01 à 05.03 ci-dessus en utilisant une LCE pure sans carbone nanoparticules noires ajoutées. Cette procédure est également décrite en détail dans une publication antérieure. ¹¹
2. Transférer le LCE avec des cardiomyocytes à un Petri dish avec culture cellulaire médias d'entretien et un 0,5 "x 2" Kapton résistif chauffe. Supply chaleur à la LCE en activant le chauffage résistif avec une puissance de chauffage de 12 W. Cycle sur et hors du feu avec 5 seconde d'intervalle pendant au moins 24 heures.

Résultats

LCES monodomaine sont de forme sensible en raison du couplage de la conformation de réseau avec commande à cristaux liquides. LCES de chauffage de conduit à une diminution du paramètre de commande à cristaux liquides, qui produisent la contraction du réseau polymère le long de la direction d'alignement primaires. Ceci est facilement visualisé en plaçant un LCE sur une plaque chauffante, comme représenté sur la Figure 1A et 1B. En chauffant...

Discussion

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...

matériels

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