הכנת Monodomain Liquid Crystal אלסטומרים גביש נוזלי Nanocomposites אלסטומר

Summary

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.

Abstract

LCEs הוא חומרי צורה מגיבה עם שינוי צורה הפיכה לחלוטין ויישומים עתידיים, בתחומי רפואה, הנדסת רקמות, שרירים מלאכותיים, ורובוטים רכים כמו. הנה, אנחנו מדגימים הכנת אלסטומרים גביש נוזלי-תגובה צורה (LCEs) ו nanocomposites LCE יחד עם אפיון של הצורה-ההיענות שלהם, תכונות מכניות, מיקרו. שני סוגים של LCEs - polysiloxane מבוסס אפוקסי מבוסס - מסונתזים, מיושר, ומאופיין. LCEs מבוסס polysiloxane ערוך באמצעות שני צעדים crosslinking, והשני תחת עומס מופעל, וכתוצאה מכך LCEs monodomain. nanocomposites LCE polysiloxane ערוכים באמצעות תוספת של חלקיקים שחורים פחמן מוליך, הן ברחבי הארי של LCE ו אל פני השטח LCE. אפוקסי המבוסס LCEs ערוך באמצעות תגובת esterification הפיך. אפוקסי המבוסס LCEs מיושר באמצעות יישום של עומס uniaxial ב גבוה (160 מעלות צלזיוס) temperatures. LCEs בציר nanocomposites LCE מאופיינים ביחס זן הפיך, נוקשות מכאניות, והזמנת גביש נוזלית באמצעות שילוב של הדמיה, מדידות עקיפות רנטגן דו ממדים, סריקת calorimetry דיפרנציאלי, וניתוח מכאני דינמי. LCEs ו nanocomposites LCE יכול להיות מגורה עם חום ו / או פוטנציאל חשמלי כדי ליצור זנים מבוקר בתקשורת תרבית תאים, ואנחנו להדגים את היישום של LCEs כמו מצעים הצורה-תגובה עבור תרבית תאים באמצעות מנגנון מחוייט.

Introduction

חומרים שיכולים להפגין מהירים, הפיכים, ושינויי צורה לתכנות רצויים עבור מספר יישומים המתעורר ^1-9. סטנטים צורה מגיבה יכולים לסייע בריפוי פצעים וטיפול ^7. רובוטים מלאכותיים יכולים לסייע בחיפושים או בביצוע משימות בסביבות שאינן מזיקים או לא בטוח עבור בני אדם ^10. אלסטומרים המגיב צורה רצויים לשימוש בתרבות תא פעיל, שבו תאים בתרבית סביבה פעילה. ^11-14 יישומים אחרים כולל אריזה, חישה, משלוח סמים.

אלסטומרים גביש נוזלי (LCE) הן רשתות פולימר עם גביש נוזלי הזמנת ^15-20. LCEs מבוצעים על ידי שילוב רשת פולימר גמיש עם מולקולות גביש נוזלי המכונה mesogens. ההיענות של LCEs נגזרה צימוד סדר גביש נוזלי זנים ברשת פולימריים, וגירויים המשפיעים על סדר mesogens יהיה גןזני רשת שיעור, ולהיפך. כדי להשיג-שינויי צורה גדולות הפיכים בהעדר עומס חיצוני, mesogens חייב להיות מתואם בכיוון יחיד LCE. אתגר ומעשיות משותף בעבודה עם LCEs הוא יצירת monodomain LCEs. אתגר נוסף הוא יצירת שינויים בצורה בתגובה לגירויים מלבד חימום ישיר. ניתן לעשות זאת באמצעות תוספת של חלקיקים או צבעים לרשתות LCE ^21-28.

הנה, אנחנו מדגימים הכנת LCEs monodomain ו nanocomposites LCE. ראשית, אנו מדגימים הכנת LCEs monodomain בשיטה שני שלבים דווחה לראשונה על ידי קופפר et al. ²⁹ זה עדיין הפופולרית ביותר וידוע שיטה להכנה LCEs monodomain, אך השיג יישור אחיד בין דגימות יכול להיות מאתגר . אנו מדגימים גישה שניתן ליישם בקלות באמצעות ציוד מעבדה סטנדרטית, כולל פרטים מלאים על דגימהטיפול והכנה. לאחר מכן, אנו מראים כיצד חלקיקים שחורים מוליך פחמן ניתן להוסיף LCEs לייצר LCEs מוליך, חשמלית תגובה. אנחנו מכן להדגים את הסינתזה והיישור של LCEs מבוסס אפוקסי. חומרים אלה מפגינים אג"ח רשת חליפי ויכול להיות מתואם על ידי חימום לטמפרטורות גבוהות וליישם עומס אחיד. כל LCEs מאופיין באמצעות מדידות עקיפת הדמית מדגם מקרוסקופית, רנטגן, וניתוח מכאני דינמי. לבסוף, אנו מדגימים אחד יישומים פוטנציאליים של LCEs כמו מצעי צורה מגיבה לתרבות תא פעילה.

Protocol

1. סינתזה של מזדהות polysiloxane LCEs

1. שלב 166.23 מ"ג של mesogen תגובתי (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) בנזואט), 40 מ"ג של פולי (hydromethylsiloxane), ו -12.8 מ"ג crosslinker (1,4-di (10 undecenyloxybenzene) ³⁰ עם 0.6 מ"ל של נטול מים טולואן בבקבוקון קטן (כ 13 מ"מ בקוטר 100 מ"מ אורך) מואשם בר ערבוב. מוסיפים את הפתרון של 35 מעלות צלזיוס במשך 25 דקות כדי לפזר.
2. בבקבוקון נפרד, להכין פתרון של dichloro 1% WT (1,5-cyclooctadiene) הפלטיניום (II) זרז dichloromethane. הוסף 30 μl של זרז פתרון ריאגנטים משלב 1.1 באמצעות פיפטה, מערבבים לערבב, ויוצקים את הפתרון לתוך תבנית מחוייט (3 ס"מ X 2 ס"מ x 1 ס"מ) מלבני polytetrafluoroethylene (PTFE). מכסה את התבנית באופן רופף עם זכוכית שקופית ומכניס לתנור חימום על 60 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות תוך רעד מעת לעת כדי להסיר בועות במהלך 15 הדקות הראשונות.
3. סור עובש מתנור חימום והומהl עם חנקן נוזלי על ידי שפיכת חנקן נוזלי לתוך מיכל קטן ויצירת קשר בתחתית התבנית PTFE עם חנקן נוזלי למשך 2 שניות.
   1. לאחר שהתערובת התקררה, להסיר אלסטומר בזהירות מהתבנית בעזרת מרית מתכת ומניחים על גבי גיליון PTFE. חתוך את הקצוות של LCE באמצעות סכין גילוח לחתוך את LCE לאורכו לשלושה חלקים בגודל שווה (כ. אורך 2.7 ס"מ ו 0.5 ס"מ רוחב).
4. לתלות כל חתיכה עד סוף אחד מוט אופקי ולצרף 10 מהדקים (4.4 גרם) אל הקצה השני של LCE. החזק את LCE במקום באמצעות קלטת, ולהוסיף מהדקים אחד בכל פעם במרווחים של 10 דקות. לתלות את LCE למשך 7 ימים ב RT, וציין שינויים באורך ואחידות. לבטל את כל מדגם שקורע או הפסקות. הסר דגימות ולאחסן ב הסביבה.

2. הכנת ננו-LCE polysiloxane Responsive החשמלי

1. כדי להכין nanocomposites LCE עם פחמן שחור מפוזר דרךחלק ארי של המדגם, חזור ראשון צעדי 1.1 - 1.4 לעיל. להוסיף 4.38 חלקיקים שחורים פחמן מ"ג לפתרון התגובה המכיל תגובתי mesogen, crosslinker, ו siloxane. השתמש סך של 5 מהדקים במקום 10 לטעינה.
2. כדי להוסיף חלקיקים שחורים פחמן נוספים אל פני השטח LCE, להכין 1% w / v פתרון של חלקיקים פחמן שחור טולואן. Sonicate במשך 20 דקות כדי לפזר חלקיקים ואז לשפוך את הפיזור לתוך צלחת פטרי. לטבול את LCEs משלב 2.1 פיזור ננו-חלקיקים במשך 6 שעות.
3. לאחר 6 שעות, להשתמש פיפטה לשאוב את התמיסה מצלחת פטרי ולאפשר אלסטומר לייבוש באוויר. לנקות בעדינות חלקיקי פחמן עודף על פני השטח באמצעות קלטת או מקלון צמר גפן.

3. הכנה הפיכה אפוקסי המבוסס LCEs

1. מערבבים 246.15 מ"ג של 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ^31, 101 מ"ג חומצה sebacic, 71.6 מ"ג של חומצה hexadecanedioic, ו -76 מ"ג של polydi carboxydecyl הסתייםmethylsiloxane בתוך תבנית מחוייט (3 ס"מ X 2 ס"מ x 1 ס"מ) מלבני PTFE. מחממים את דגימות על ידי הצבת על פלטה חמה ב 180 מעלות צלזיוס.
   1. הוסף 11.48 מ"ג (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] Dec-5 פנטן) זרז ומערבבים באמצעות פינצטה מתכת מחומם מראש ל -180 מעלות צלזיוס. המשך להגיב עד שהתערובת יוצרת ג'ל, לאחר כ -20 דקות, ומערבבים מדי פעם כדי להסיר בועות שנוצר על ידי התגובה.
2. הסר את סירת PTFE מן הפלטה החשמלית ולאפשר להתקרר RT. השתמש סכין גילוח להפריד אלסטומר מהתבנית PTFE.
3. מניחים שני גיליונות PTFE במכבש פולימר בחום של 180 מעלות. מניחים את אלסטומר משלב 3.2 בין הסדינים PTFE ו לדחוס המדגם בעובי של 0.3 - 0.5 מ"מ. המשך חימום ב 180 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
4. הסר את המדגם מגניב RT. חותכים את מדגם לחתיכות מלבני (כ רוחב אורך 2.5 ס"מ ו 0.5 ס"מ). לתלות המדגם בקצה אחד באמצעות קלטת פוליאימיד בתוך תנור חימום. צרף 12 paperclips (8.88 גר ') אל הקצה החופשי של המדגם. הגדר את הטמפרטורה של תנור החימום ל -165 ° CO / N, או במשך 12 - 16 שעות.
5. הסר את אלסטומר מתנור החימום וציינת את השינוי באורך. מחמם את המדגם עד 80 מעלות צלזיוס על פלטה חמה להסיר מתח שיורים אז לקרר חזרה RT.

בדיקת 4. אפיון LCEs

1. מדוד זן הפיך על ידי חימום הדגימות על פלטה חמה ל -120 מעלות צלזיוס, הדמיה עם המצלמה. הערת אורך המדגם הראשונית ב RT, אורך המדגם לאחר חימום עד 120 מעלות צלזיוס, ואת האורך לאחר קירור בחזרה RT. LCEs צריך חוזה בכ -30% ולחזור האורך הראשוני שלהם על קירור. ראה תמונות בדוגמה המוצגת באיור 1A ו -1 B.
2. לנתח טמפרטורה בשלב מעבר מעבר זכוכית על ידי סריקת calorimetry דיפרנציאלי (DSC) על ידי חיתוך חתיכה קטנה מכל LCE וסריקה בין 0 ° C עד 150 ° C בכל שיתוף חימום /oling בשיעור של 10 ° C / min ^32,33.
3. לכמת את מידת יישור גביש נוזלי על ידי מדידות העקיפות רנטגן. מקום דגימות בתוך diffractometer רנטגן עם יכולות הדמיה 2D. ³³ ראה תמונות עקיפה בדוגמה המוצגת באיור 2.
   ההערה: תמונת דיפרקציה צריכה להיות איזוטרופי, המשקפת את היישור של LCE ^33. LCEs polysiloxane הוא LCEs Nematic ו מבוסס אפוקסי תערוכת שלב smectic.
4. מדוד נוקש של LCE ושינוי אורך ורוחב באמצעות ניתוח מכאני דינמי (DMA). אורך רשום ושינויים קשיחים כפונקציה של טמפרטורה עבור LCEs ו כפונקציה של פוטנציאל חשמלי עבור nanocomposites LCE.
   1. עבור מדידות התרמו-מכני, השתמש בסכין גילוח כדי לחתוך דגימות ידני לממדים של 2 ס"מ X 0.3 ס"מ ובזהירות להדק בין מלחציים מתח. החל כוח של 1 MN כדי להסיר כל רפוי.
      1. תרמית לאזן דגימות ב follo 30 ° Cד על ידי מחזורי חימום וקירור ב -5 ° C / min. מדגם חום מ -30 מעלות צלזיוס עד 120 מעלות צלזיוס. שינויי טמפרטורה לייצר שינויים האורך והרוחב של המדגם, הנרשמות במהלך המדידה DMA. ראה איור 3 א למדידות טרמומכני של מדגם LCE.
   2. עבור מדידות אלקטרו, ידני לחתוך דגימות nanocomposite LCE לממדים של 2 ס"מ X 0.3 ס"מ ודבק חוט נחושת בקצוות מנוגדים של nanocomposites LCE באמצעות אפוקסי כסף. הדקו את nanocomposite LCE באמצעות מתח מלחציים עם 1 מתח MN.
      1. החל פוטנציאל חשמלי דרך חוטי הנחושת במתח הנע בין 0 - 60 V, בתדירות של 60 הרץ, וכן הפעלה / כיבוי משך דופק החל 0.1 שניות - 30 שניות.
      2. שינויים בצורת שיא בתגובה הפוטנציאל החשמלי. להפעיל כוח קבוע של 1 MN להסיר רפוי. השינוי בעמדה של המהדק תואם שינויים בצורה במדגם. ראה figuמחדש 3B למדידות אלקטרו של מדגם nanocomposite LCE.

5. תרבית תאים פעילים באמצעות גירוי חשמלי של ננו-LCE

1. פנקו את משטח אחד של nanocomposites LCE תחת פלזמה חמצן למשך 30 שניות. ספין יצוק 300 μl של פתרון של קלקר טולואן (1% w / v) ב -3,300 סל"ד דקות 1 על גבי משטח פלזמה לנקות. ייבש את אלסטומר תחת ואקום במשך 12 שעות כדי להסיר טולואן, ולטפל המשטח המצופה המוקצף של nanocomposite LCE באמצעות פלזמת חמצן למשך 30 שניות.
2. מניח nanocomposites LCE בתמיסת אתנול 70% למשך 30 דקות כדי לעקר את פני השטח.
   1. שטפו את nanocomposite LCE עם בופר פוספט ולהעביר את LCE כדי בצלחת פטרי יבש עם הצד מצופה קלקר פונה כלפי מעלה. מעיל את כל פני השטח של LCE ידי טבילה ב 5 מ"ל של פתרון מסוג I עכברוש זנב קולגן (50 מיקרוגרם / מ"ל ​​ב 0.02 N חומצה אצטית). דגירת n LCEanocomposite ב 37 מעלות צלזיוס, 5% CO ₂ עבור 30 דקות לפחות.
3. לבודד cardiomyocytes חדרית עכברוש בילוד להשעות במדיה ציפוי גבוה בסרום כפי שדווח בעבר ^11.
   1. פלייט תאים על גבי מצעים LCE כמפורט לעיל בצפיפות של 100,000 - 600,000 ^תאים / 2 ס"מ. בסביבות 24 שעות מאוחר יותר, ולהעביר את תאי תקשורת תחזוקה בסרום נמוך (DMEM, 18.5% M199, 5% HS, 1% FBS ואנטיביוטיקה). אפשר cardiomyocytes לצרף מתרבים על פני השטח של LCE במשך 4 ימים.
4. עיצוב לפברק כלים מותאמים אישית באמצעות מדפסת 3-D ושימוש סכמטי של הכלי שמוצג באיור 4 באמצעות פרוטוקול של יצרן.
   הערה: 3D מודפס כלי הוא מיכל מלבני עם הממדים החיצוניים של 60 מ"מ x 40 מ"מ x 20 מ"מ ומידות פנימי של 50 מ"מ x 30 מ"מ x 15 מ"מ. ביום שני משטחים לרוחב, ישנן שתי קבוצות של 5 חורים מ"מ משמש החדרת מוטות פחמן מוליך. לַחֲרוֹץes סביב חורה ועד הקצה העליון של מכל לאפשר הצבת פיסת פלסטיק מלבנית (מידות של 52.5 מ"מ x 12 מ"מ x 4 מ"מ) על פני הכלי להחזיק את LCE במקום בשני קצותיו. המרחק בין החורים הוא 3 מ"מ בצד אחד של ספינה, חריצים מוקם סביב חורים כפי שמוצג באיור 4. זה נועד להיות תואם את גודל מצעי LCE שתוארו לעיל. מוטה פחמן מוליך התקבל דרך ספקית מסחרית כמוצג במוסף החומרים.
   1. הכנס מוטה פחמן דרך חורה על פני הכלי וחזק במקום באמצעות דבק סיליקון כיתה רפואי. לרפא את N / הדבק O.
5. nanocomposites LCE העברה עם cardiomyocytes לכלי 3D-מודפסים מותאמים אישית מלא תקשורת תחזוקת תרבית תאים עם מוטות פחמן מוליכים במקביל מחובר למקור חשמל. מניחים את LCE פני מוטות פחמן ולתקן על קצה אחד כדי להבטיח מגע חשמלי.
   1. הכנס חתיכת הפלסטיק מלבנית דרך חריצי ספינת 3-D להחזיק את LCE במקום בקצוות אחד או שניהם, אבל מקום הזה באופן רופף על מדגם LCE. חשמלי לעורר LCE דרך יישום של 40 וולט AC פוטנציאל חשמלי עם 5 שניות on / off זמן עבור סכום הכולל של 24 שעות.
6. הכתם הממברנה של תאים חיים באמצעות Calcein AM כפי שתואר לעיל ^11.
7. עבור מכתים גרעינים, לכסות את התאים עם DAPI המכיל הרכבה בינונית לפני ההדמיה תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוכה. השתמש ImageJ כדי לספור את מספר תאי חיים ולקבוע את זווית יישור התאים באמצעות פונקציה בכושר הטוב ביותר.

6. תרבית תאים פעילות עם LCEs שימוש חימום ישיר

1. חזרו על שלבים 5.1 - 5.3 לעיל באמצעות LCE טהור ללא פחמן הוסיפו חלקיקים שחורים. הליך זה גם מתואר בפירוט בפרסום הקודם. ¹¹
2. מעבירים את LCE עם cardiomyocytes אל ד פטריish עם תקשורת תחזוקת תרבית תאים וכן דוד resistive Kapton 0.5 "x 2". אספקת החום אל LCE ידי צורך להפעיל את החימום resistive עם כוח חימום של 12 W. מחזור לסירוגין החום עם 5 מרווחי שניות hr 24 לפחות.

תוצאות

LCEs Monodomain הוא צורה מגיבה בשל צימוד של קונפורמציה רשת עם סידור גביש נוזלי. LCEs חימום תוצאה היא ירידה בפרמטר כדי הגביש הנוזלי, ייצור התכווצות של רשת הפולימרים לאורך כיוון היישור העיקרי. זה דמיינו בקלות על ידי הצבת LCE על פלטה חמה, כפי שמוצג באיור <...

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...

Materials

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