Preparazione di Monodomain Liquid Crystal Elastomeri e cristallo elastomero Nanocompositi Liquid

Riepilogo

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 sono materiali di forma-reattiva con cambio completamente reversibile forma e potenziali applicazioni nel campo della medicina, l'ingegneria dei tessuti, i muscoli artificiali e robot come morbidi. Qui, dimostriamo la preparazione di elastomeri forma-reattiva a cristalli liquidi (LCEs) e nanocompositi LCE con la caratterizzazione della loro forma-reattività, proprietà meccaniche e microstruttura. Due tipi di LCEs - polisilossano-based e epossidici - sono sintetizzati, allineati e caratterizzati. LCEs polisilossano-based vengono preparati attraverso due fasi di reticolazione, la seconda sotto un carico applicato, con conseguente LCEs monodomain. nanocompositi polisilossano LCE sono preparati mediante l'aggiunta di nanoparticelle di carbonio conduttivo nero, sia durante la maggior parte della LCE e alla superficie LCE. LCEs a base epossidica sono preparati mediante una reazione di esterificazione reversibile. LCEs a base epossidica sono allineate attraverso l'applicazione di un carico uniassiale a elevata (160 ° C) temperatures. LCEs allineate e nanocompositi LCE sono caratterizzate rispetto al ceppo reversibili, rigidità meccanica, e ordinazione cristalli liquidi usando una combinazione di immagini, misure di diffrazione di raggi X bidimensionali, calorimetria differenziale a scansione, e analisi meccanica dinamica. LCEs e nanocompositi LCE possono essere stimolati con calore e / o potenziale elettrico di generare in modo controllabile tensioni nei terreni di coltura delle cellule, e ci dimostrano l'applicazione di LCEs come substrati di forma-reattivo per colture cellulari che utilizzano un dispositivo su misura.

Introduzione

Materiali che possono esibire forma cambia veloci, reversibili e programmabili sono desiderabili per un numero di applicazioni emergenti ^1-9. Stent Shape-reattiva può aiutare con la guarigione della ferita e il trattamento ^7. Robot artificiali possono aiutare nell'esplorazione e nello svolgimento dei compiti in ambienti che sono nocivi o non sicuri per gli esseri umani ^10. Elastomeri Shape-responsive sono desiderabili per l'uso in coltura cellulare attiva, in cui le cellule sono coltivate in un ambiente attivo. ^11-14 Altre applicazioni includono l'imballaggio, rilevamento e drug delivery.

Elastomeri a cristalli liquidi (LCE) sono reti di polimeri a cristalli liquidi con l'ordinazione ^15-20. LCEs sono realizzati combinando una rete polimerica flessibile molecole dei cristalli liquidi note come mesogeni. La reattività del LCEs deriva dall'accoppiamento dell'ordine cristalli liquidi a ceppi nella rete polimerica, e stimoli che influenzano l'ordine di mesogeni sarà geneceppi di rete tasso, e viceversa. Per conseguire grandi e reversibili forma-changes in assenza di un carico esterno, i mesogeni devono essere orientati in un'unica direzione nel LCE. Una sfida pratica comune a lavorare con LCEs sta generando monodomain LCEs. Un'altra sfida sta generando cambiamenti di forma in risposta a stimoli diversi da riscaldamento diretto. Questo può essere fatto mediante l'aggiunta di nanoparticelle o coloranti a reti LCE ^21-28.

Qui, dimostriamo la preparazione di LCEs monodomain e nanocompositi LCE. In primo luogo, abbiamo dimostrato la preparazione di LCEs monodomain utilizzando il metodo in due fasi la prima volta da Kupfer et al. ²⁹ Questo è ancora il metodo più popolare e noto per la preparazione di LCEs monodomain, ma raggiungere l'allineamento e la consistenza uniforme tra i campioni può essere impegnativo . Abbiamo dimostrato un approccio che può essere facilmente implementato utilizzando apparecchiature di laboratorio standard, compreso tutti i dettagli sul campionamentola manipolazione e la preparazione. Successivamente, si mostra come carbonio conduttivo nanoparticelle nere possono essere aggiunti alla LCEs per la produzione di conduttori, LCEs reattivi elettricamente. Abbiamo poi dimostrare la sintesi e l'allineamento di LCEs a base epossidica. Questi materiali presentano legami rete scambiabili e possono essere allineati mediante riscaldamento a temperature elevate e applicando un carico uniforme. Tutti LCEs sono caratterizzati attraverso immagini campione macroscopico, misure di diffrazione di raggi X e analisi meccanica dinamica. Infine, abbiamo dimostrato una potenziale applicazione LCEs come substrati di forma-reattiva per coltura cellulare attiva.

Protocollo

1. Sintesi di Aligned Polisilossano LCEs

1. Combinare 166.23 mg di mesogeno reattiva (4-metossifenil 4- (3-butenyloxy) benzoato), 40 mg di poli (hydromethylsiloxane) e 12,8 mg di reticolante (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) ^{30 con} 0,6 ml di anidra toluene in una piccola fiala (circa 13 mm di diametro e 100 mm di lunghezza) praticati con una barra di agitazione. Agitare la soluzione a 35 ° C per 25 minuti per sciogliere.
2. In una fiala separata, preparare una soluzione di 1% in peso dicloro (1,5-cicloottadiene) -platinum (II) di catalizzatore in diclorometano. Aggiungere 30 ml di soluzione di catalizzatore per i reagenti dal punto 1.1 tramite pipetta, mescolare per amalgamare e versare la soluzione in un (x 2 cm x 1 cm 3 cm) di stampo rettangolare politetrafluoroetilene (PTFE) su misura. Coprire lo stampo liberamente con un vetrino e mettere in forno di riscaldamento a 60 ° C per 30 min agitando periodicamente per rimuovere bolle durante i primi 15 min.
3. Rimuovere stampo dal forno di riscaldamento e cool con azoto liquido versando azoto liquido in un piccolo contenitore e contattando il fondo dello stampo PTFE con l'azoto liquido per 2 sec.
   1. Una volta che il composto si è raffreddato, rimuovere con attenzione elastomero da stampo usando una spatola metallica e posto sopra un foglio di PTFE. Tagliare i bordi della LCE con una lama di rasoio e tagliare il LCE lungo la sua lunghezza in tre pezzi di dimensioni uguali (circa. Lunghezza 2,7 centimetri e 0,5 cm di larghezza).
4. Appendere ogni pezzo a una estremità ad una barra orizzontale e allegare 10 graffette (4,4 g) all'altra estremità della LCE. Tenere LCE in posizione con nastro e aggiungere graffette uno alla volta in incrementi di 10 min. Appendere LCE per 7 giorni a temperatura ambiente, rilevando variazioni di lunghezza e uniformità. Eliminare qualsiasi campione che strappa o si rompe. Rimuovere i campioni e conservare a temperatura ambiente.

2. Preparazione di nanocompositi elettricamente Responsive polisilossano LCE

1. Per preparare nanocompositi LCE con nerofumo disperso attraverso lamassa del campione, prima ripetere i passaggi 1,1-1,4 sopra. Aggiungere 4,38 mg nanoparticelle di carbonio nero alla soluzione di reazione contenente reattiva mesogeno, reticolante, e silossano. Utilizzare un totale di 5 graffette invece di 10 per il carico.
2. Per aggiungere ulteriori nanoparticelle di carbonio nero sulla superficie LCE, preparare 1% w / v di carbonio nanoparticelle neri in toluene. Con ultrasuoni per 20 minuti per disperdere le nanoparticelle e poi versare la dispersione in una capsula di Petri. Immergere i LCEs dal punto 2.1 nella dispersione di nanoparticelle per 6 ore.
3. Dopo 6 ore, utilizzare una pipetta per prelevare la soluzione dalla piastra di Petri e consentire l'elastomero asciugare all'aria. Pulire delicatamente particelle di carbonio in eccesso sulla superficie con del nastro o un batuffolo di cotone.

3. Preparazione del LCEs reversibile a base epossidica

1. Mescolare 246.15 mg di 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ^31, 101 mg di acido sebacico, 71,6 mg di acido hexadecanedioic, e 76 mg di polydi carboxydecyl-terminatometilsilossano in un (3 cm x 2 cm x 1 cm) di stampo PTFE rettangolare su misura. Riscaldare i campioni posizionando su una piastra riscaldante a 180 ° C.
   1. Aggiungere 11.48 mg di (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] dec-5-ene) catalizzatore e mescolare con una pinzetta di metallo pre-riscaldato a 180 ° C. Continuare reagire finché il composto forma un gel, dopo circa 20 minuti, e mescolate periodicamente per rimuovere le bolle generate dalla reazione.
2. Rimuovere la barca PTFE dalla piastra e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Utilizzare una lama di rasoio per separare l'elastomero dallo stampo PTFE.
3. Inserire due fogli in PTFE in un comunicato polimero a 180 ° C. Posizionare l'elastomero dal punto 3.2 tra i fogli di PTFE e comprimere il campione ad uno spessore di 0,3 - 0,5 mm. Continua riscaldamento a 180 ° C per 4 ore.
4. Rimuovere il campione e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Tagliare il campione in pezzi rettangolari (circa 2,5 cm Lunghezza e 0,5 cm di larghezza). Appendere il campione ad una estremità con del nastro poliimmide all'interno di un forno di riscaldamento. Fissare 12 paperclips (8.88 g) alla estremità libera del campione. Impostare la temperatura del forno di riscaldamento a 165 ° CO / N, o per 12 - 16 ore.
5. Rimuovere l'elastomero dal forno di riscaldamento e notare la variazione di lunghezza. Riscaldare il campione a 80 ° C su una piastra per rimuovere tensioni residue poi raffreddare di nuovo a RT.

4. Test e caratterizzazione di LCEs

1. Misurare la deformazione reversibile riscaldando i campioni su una piastra a 120 ° C e di imaging con una macchina fotografica. Nota la lunghezza iniziale del campione a temperatura ambiente, la lunghezza del campione dopo il riscaldamento a 120 ° C, e la lunghezza dopo raffreddamento ritorna RT. LCEs dovrebbero contrarsi di circa il 30% e tornare alla loro lunghezza iniziale raffreddamento. Vedi esempio immagini mostrate in figura 1A e 1B.
2. Analizzare temperatura di transizione di fase e di transizione vetrosa da calorimetria differenziale a scansione (DSC) tagliando un piccolo pezzo da ciascuna LCE e la scansione da 0 ° C a 150 ° C ad un riscaldamento / coOling velocità di 10 ° C / min ^32,33.
3. Quantificare il grado di allineamento a cristalli liquidi da misure di diffrazione di raggi X. I campioni in un diffrattometro a raggi X con capacità di imaging 2D. ³³ Vedi le immagini esempio di diffrazione mostrato nella Figura 2.
   Nota: l'immagine di diffrazione dovrebbe essere anisotropo, riflette l'allineamento della LCE ^33. LCEs polisilossano sono LCEs nematici ed epossidici a base mostrano una fase smettica.
4. Misurare rigidità della LCE e variazione della lunghezza e larghezza utilizzando analisi meccanica dinamica (DMA). lunghezza di registrazione e modifiche rigidità in funzione della temperatura per LCEs e in funzione del potenziale elettrico per i nanocompositi LCE.
   1. Per le misure termo-meccanici, usare una lama di rasoio per tagliare manualmente i campioni di dimensioni di 2 cm x 0,3 cm e con attenzione il fissaggio tra i morsetti di tensione. Applicare una forza di 1 milione di euro per tendere.
      1. Termicamente equilibrare i campioni a 30 ° C Folloa capo cicli di riscaldamento e raffreddamento a 5 ° C / min. campione calore da 30 ° C fino a 120 ° C. Le variazioni di temperatura producono cambiamenti nella lunghezza e la larghezza del campione, che sono registrati durante la misurazione DMA. Vedere la Figura 3A per misure termomeccanici di un campione LCE.
   2. Per misure elettromeccanici, tagliare manualmente campioni nanocompositi LCE a dimensioni di 2 cm x 0,3 cm e incollare un filo di rame alle estremità opposte dei nanocompositi LCE utilizzando una resina epossidica argento. Fissare il nanocompositi LCE con tensione morsetti con 1 tensione mn.
      1. Applicare un potenziale elettrico attraverso i fili di rame ad una tensione compresa tra 0 - 60 V, una frequenza di 60 Hz, e un interruttore on / off durata dell'impulso compresa tra 0,1 sec - 30 sec.
      2. cambiamenti di forma record in risposta al potenziale elettrico. Applicare una forza fissa di 1 milione di euro per tendere. Il cambiamento di posizione dei morsetti corrisponde a modellare cambiamenti nel campione. Vedi Figuri 3B per misure elettromeccanici di un campione LCE nanocomposito.

5. cultura cella attiva attraverso stimolazione elettrica di LCE nanocompositi

1. Trattare una superficie di nanocompositi LCE in plasma di ossigeno per 30 sec. Spin fuso 300 ml di una soluzione di polistirene in toluene (1% w / v) a 3.300 rpm per 1 min sopra della superficie del plasma pulita. Essiccare l'elastomero sotto vuoto per 12 ore per rimuovere toluene, e trattare la superficie polistirene rivestite del nanocomposito LCE con plasma di ossigeno per 30 sec.
2. Posizionare nanocompositi LCE in soluzione di etanolo al 70% per 30 minuti per sterilizzare la superficie.
   1. Lavare il nanocompositi LCE con tampone fosfato e trasferire il LCE di un piatto a secco di Petri con la parte in polistirolo rivestito rivolto verso l'alto. Rivestire l'intera superficie della LCE immergendo in 5 ml di una soluzione di collagene di tipo I coda di ratto (50 ug / ml in 0,02 N acido acetico). Incubare LCE nanocomposite a 37 ° C e 5% CO ₂ per almeno 30 min.
3. Isolare cardiomiociti ventricolari di ratto neonatale e sospendere in alto nel siero dei media placcatura come riportato in precedenza ^11.
   1. Cellule piatto sopra substrati LCE descritti come sopra ad una densità di 100.000 - 600.000 cellule / cm ^2. Intorno a 24 ore dopo, il trasferimento alle cellule di supporto bassa siero manutenzione (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% FBS e antibiotici). Consentire cardiomiociti per fissare e proliferare sulla superficie della LCE per 4 giorni.
4. Progettare e fabbricare una nave personalizzato utilizzando una stampante 3-D e utilizzando lo schema della nave indicata in figura 4 con il protocollo del produttore.
   Nota: Il 3D stampato vaso è un contenitore rettangolare con dimensioni esterne 60 mm x 40 mm x 20 mm e dimensioni interne di 50 mm x 30 mm x 15 mm. Su due superfici laterali, ci sono due serie di fori 5 mm utilizzati per inserire barre di carbonio conduttive. Taccaes intorno ai fori e fino al bordo superiore del contenitore consentono mettendo un pezzo di plastica rettangolare (dimensioni di 52,5 millimetri x 12 mm x 4 mm) attraverso il vaso per tenere il LCE in sostituzione alle due estremità. La distanza tra i fori è di 3 mm su un lato della nave, e tacche si trovano intorno ai fori come mostrato in Figura 4. Questo è progettato per essere compatibile con le dimensioni dei substrati LCE sopra descritti. barre di carbonio conduttivi sono ottenuti attraverso un fornitore commerciale come mostrato nella Materials Supplement.
   1. Inserire barre di carbonio attraverso i fori attraverso i vasi e tenere in posizione con adesivo in silicone per uso medico. Curare l'adesivo O / N.
5. nanocompositi trasferimento LCE con cardiomiociti di una nave su misura 3D-stampato riempito di mezzi di manutenzione di colture cellulari e con paralleli barre di carbonio conduttive collegato ad una sorgente elettrica. Posizionare il LCE attraverso le aste di carbonio e fissare su un'estremità per assicurare il contatto elettrico.
   1. Inserire un pezzo di plastica rettangolare attraverso le tacche nel recipiente 3-D per tenere il LCE nel luogo in una o entrambe le estremità, ma collocare questo liberamente sul campione LCE. Elettricamente stimolare LCE attraverso l'applicazione di un potenziale elettrico di 40 V AC con 5 sec on / off tempo per un totale di 24 ore.
6. Macchia la membrana delle cellule viventi con calceina AM come descritto in precedenza ^11.
7. Per i nuclei colorazione, coprire le cellule con DAPI contenente mezzo di montaggio prima di imaging con un microscopio a fluorescenza invertito. Utilizzare ImageJ per contare il numero di cellule viventi e determinare l'angolo di allineamento cella utilizzando la funzione migliore vestibilità.

6. cultura cella attiva con LCEs si usa il riscaldamento diretto

1. Ripetere i passaggi 5,1-5,3 sopra utilizzando un LCE puro senza carbonio nanoparticelle neri aggiunto. Questa procedura è anche descritta in dettaglio in una pubblicazione precedente. ¹¹
2. Trasferire il LCE con cardiomiociti di un Petri dish con i media di manutenzione di colture cellulari e un 0.5 "x 2" Kapton riscaldatore resistivo. Fornitura di calore al LCE accendendo il riscaldamento resistivo con una potenza di riscaldamento di 12 W. ciclo dentro e fuori dal calore con intervalli di 5 sec per almeno 24 ore.

Risultati

LCEs Monodomain sono forma-reattiva a causa di accoppiamento della conformazione della rete con l'ordinazione a cristalli liquidi. LCEs riscaldamento traduce in una diminuzione del parametro d'ordine cristalli liquidi, producono una contrazione della rete polimerica lungo la direzione di allineamento primario. Questo è facilmente visualizzato inserendo un LCE su una piastra, come mostrato nella Figura 1A e 1B. In riscaldamento d...

Discussione

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...

Materiali

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