モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製

要約

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.

要約

種の保存法は、完全に可逆的な形状変化と医療における潜在的な用途、組織工学、人工筋肉、とのような柔らかいロボットと形状応答性材料です。ここでは、その形状、応答性の特性、機械的特性、および微細構造とともに形状応答液晶エラストマー（種の保存法）とLCEナノコンポジットの製造を実証します。種の保存法の二つのタイプ - ポリシロキサン系、エポキシ系 - は、合成された整列、及び特徴づけられます。ポリシロキサン系種の保存法は、モノドメイン種の保存法で、その結果、2架橋段階、荷重負荷時二経て製造されています。ポリシロキサンLCEナノ複合材料は、LCEのバルク全体とLCE表面に両方、導電性カーボンブラックのナノ粒子を添加することにより調製されます。エポキシ系種の保存法可逆エステル化反応を介して調製されます。エポキシ系種の保存法は、高い（160℃）tにおける一軸負荷のアプリケーションを介して配列されていますemperatures。整列種の保存法及びLCEナノ複合材料は、画像、二次元X線回折測定、示差走査熱量測定、及び動的機械分析の組み合わせを用いて可逆歪み、機械的剛性、及び液晶順序に関して特徴付けられます。種の保存法及びLCEナノ複合材料は、制御可能な細胞培養培地中で株を生成するために、熱および/または電気的な電位を刺激することができ、我々は、特注の装置を用いた細胞培養用形状応答基質として種の保存法の適用を示します。

概要

高速可逆、プログラマブル形状変化を示すことができる材料は、新しいアプリケーション^1-9の数に望ましいです。シェイプ応答性ステントは、創傷治癒および治療^​​7を支援することができます。人工ロボット探査で又はヒト¹⁰に有害または安全ではない環境でタスクを実行するのを助けることができます。形状応答性エラストマーは、細胞が活性な環境下で培養される、アクティブな細胞培養での使用のために望ましいものである^。11-14他の用途は、包装、感知、および薬物送達を含みます。

液晶エラストマー^{（LCE）15-20を注文}液晶とポリマーネットワークです。種の保存法は、メソゲンとして知られる液晶分子を有する柔軟なポリマーネットワークを組み合わせることによって作製されます。種の保存法の応答性がメソゲンの順序に影響を与える高分子ネットワーク内の株、および刺激に液晶秩序のカップリングに由来します遺伝子レートネットワーク株、およびその逆。外部負荷の非存在下での大規模かつ可逆的な形状変化を達成するために、メソゲンは、LCEで単一方向に整列されなければなりません。種の保存法での作業で共通の実践的な課題は、モノドメイン種の保存法を生成しています。別の課題は、直接加熱以外の刺激に応答して形状変化が生成されます。これはLCEネットワーク^21-28にナノ粒子や染料を添加することによって行うことができます。

ここでは、モノドメイン種の保存法とLCEナノ複合材料の製造を実証します。まず、第一クッパーらによって報告された2段階法を用いてモノドメイン種の保存法の製造を実証する^。29。これはまだモノドメイン種の保存法を製造するための最も人気のある、よく知られた方法であるが、サンプル間の均一な配向性と一貫性を達成することは困難な場合があります。我々は、サンプリングの詳細を含む容易に標準的な実験装置を用いて実施することができる方法を実証します取り扱いと準備。次に、ブラックナノ粒子は、導電性、電気応答種の保存法を生成する種の保存法に添加する方法、導電性カーボンを示します。私たちは、その後、エポキシ系種の保存法の合成と配置を示しています。これらの材料は、交換ネットワークの結合を示し、高温に加熱し、均一な荷重を印加することによって整列させることができます。すべて種の保存法は、巨視的サンプルのイメージング、X線回折測定、及び動的機械分析により特徴付けられます。最後に、我々は、アクティブな細胞培養のための形状応答性基質として種の保存法の1の潜在的なアプリケーションを示しています。

プロトコル

配向ポリシロキサン種の保存法の1の合成

1. 無水0.6 mlの反応性メソゲン（4-メトキシフェニル、4-（3-ブテニルオキシ）安息香酸）の166.23 mgのポリ（hydromethylsiloxane）40mgの、及び架橋剤の12.8 mgの（1,4-ジ（10- ^{undecenyloxybenzene）30を結合}小さなバイアル中でトルエン（直径約13 mm、長さ100mm）、撹拌バーを装入は溶解し25分間、35℃で溶液を撹拌しました。
2. 別のバイアルにおいて、1重量％のジクロロ（1,5-シクロオクタジエン） - プラチナ（II）ジクロロメタン中の触媒の溶液を調製します。 、ピペットを介してステップ1.1からの試薬に触媒溶液の30μlを添加し混合するために攪拌し、カスタムメイド（3センチメートルX 2センチメートル×1 cm）の長方形のポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、金型への溶液を注ぎます。最初の15分の間に気泡を除去するために定期的に振とうしながら30分間60℃で加熱炉内のガラススライドと場所で緩く型をカバーしています。
3. 加熱炉とクーから金型を削除します小さな容器に液体窒素を注入し、2秒間液体窒素でのPTFE型の底を接触させることにより、液体窒素でリットル。
   1. 混合物を冷却した後、慎重に金属へらを使用して、金型からエラストマーを削除し、PTFEシートの上に置きます。カミソリの刃を使用してLCEの縁をトリミングして、3つの等しいサイズのピース（約2.7センチ長さ0.5センチ幅）に、その長さに沿ってLCEを切りました。
4. 水平ロッドに一端によりそれぞれの作品をハングアップし、LCEのもう一方の端に10ペーパークリップ（4.4グラム）を添付。テープを使用して所定の位置にLCEを保持し、10分刻みで時間にペーパークリップ1を追加します。長さと均一性の変化を指摘し、室温で7日間LCEを掛けます。涙や休憩任意のサンプルを捨てます。サンプルを削除し、周囲温度で保存してください。

電気応答ポリシロキサンLCEのナノコンポジットの調製

1. 介して分散されたカーボンブラックをLCEナノ複合材料を調製するために上記1.4 - サンプルの大部分は、最初の繰り返しは1.1繰り返します。反応性メソゲン、架橋剤、及びシロキサンを含む反応溶液に4.38 mgのカーボンブラックナノ粒子を追加します。 5ペーパークリップの代わりにロードするための10の合計を使用してください。
2. LCE表面に追加のカーボンブラックナノ粒子を追加するために、トルエン中のカーボンブラックのナノ粒子のw / v溶液1％を準備。 20分間の超音波処理は、ナノ粒子を分散した後、ペトリ皿に分散液を注ぎます。 6時間のナノ粒子分散液中のステップ2.1から種の保存法を浸し。
3. 6時間後、ペトリ皿からの溶液を撤回するピペットを使用し、エラストマーは、空気中で乾燥させます。そっとテープや綿棒を使用して、表面上の過剰な炭素粒子を清掃してください。

リバーシブルエポキシ系種の保存法の調製

1. 4,4'- diglycidyloxybiphenyl ^31、101 mgのセバシン酸、ヘキサデカン酸の71.6 mg及びカルボキシデシル-終了polydiの76ミリグラムの246.15 mgのミックスカスタムメイド（3センチメートルX 2センチメートル×1 cm）の長方形のPTFE金型でメチルシロキサン。 180℃のホットプレート上に置くことによって、試料を加熱します。
   1. （1,5,7-triazabicyclo [4.4.0]デカ-5-エン）の11.48 mgの触媒を添加し、180℃に予熱された金属製ピンセットを用いて攪拌します。混合物は、後に約20分、ゲルを形成するまで反応を続行し、反応によって生成された気泡を除去するために定期的に攪拌します。
2. ホットプレートからPTFEボートを取り外し、室温まで冷却します。 PTFE型からエラストマーを分離するためにカミソリの刃を使用してください。
3. 180℃でポリマープレスで2 PTFEシートを配置します。 PTFEシートの間にステップ3.2からエラストマーを配置し、0.3の厚さにサンプルを圧縮 - 0.5ミリメートル。 4時間180℃で加熱を続けます。
4. サンプルを削除し、RTに冷却します。長方形片（約2.5センチ長さ0.5センチ幅）に試料をカットします。加熱炉の内部にポリイミドテープを使用して、一方の端部でサンプルを掛けます。 12 PAを添付試料の自由端にperclips（8.88 g）を得ました。 165℃CO / Nに加熱炉の温度を設定するか、12 - 16時間。
5. 加熱炉からエラストマーを削除し、長さの変化に注意してください。 RTに戻し冷却し、次いで、残留応力を除去するために、ホットプレート上で80℃にサンプルを加熱します。

4.種の保存法のテストおよび特性評価

1. カメラで120°Cおよびイメージングにホットプレート上でサンプルを加熱することによって可逆的ひずみを測定します。 RTに戻って冷却した後、室温での初期試料長、120℃まで加熱した後のサンプルの長さ、および長さに注意してください。種の保存法は、約30％収縮させ、冷却時にその初期の長さに戻ります。 図1A及び図1Bに示した例のイメージを見ます。
2. 加熱/ CO 2で150℃、0℃から各LCE走査から小片を切断することにより、示差走査熱量測定（DSC）により相転移温度とガラス転移を分析します10℃/分^32,33のoling率。
3. X線回折測定により、液晶配向の度合いを定量化します。 2Dイメージング機能を備えたX線回折装置に配置した試料³³は、図2に示す例の回折イメージを見ます。
   注：回折像は、LCE ³³のアライメントを反映し、異方性であるべきです。ポリシロキサン種の保存法は、ネマチックであり、エポキシ系種の保存法は、スメクティック相を示します。
4. 動的機械分析（DMA）を使用して、長さと幅にLCEと変化の剛性を測定します。レコード長と種の保存法用とLCEナノ複合材料のための電位の関数としての温度の関数としての剛性の変化。
   1. 熱機械測定のために、手動でのx 0.3センチメートル2センチメートルの寸法にサンプルをカットし、慎重にテンションクランプの間に固定するためにカミソリの刃を使用します。たるみを除去するために、1 MNの力を適用します。
      1. 熱的に30°C folloでサンプルを平衡化5℃/分で加熱及び冷却サイクルによって結婚。 120°Cまで30°Cからの熱のサンプル。温度変化は、DMA測定中に記録されたサンプルの長さと幅の変化を生じさせます。 LCEサンプルの熱機械測定については、図3Aを参照してください 。
   2. 電気機械的測定のために、手動でのx 0.3 cm 2でセンチ寸法にLCEナノ複合材料サンプルを切断し、銀エポキシを用いてLCEナノ複合体の両端部の銅線を接着。緊張を使用してLCEのナノコンポジットは、1のMN張力でクランプ固定します。
      1. 60 V、60Hzの周波数、および0.1秒に至るまで、オン/オフのパルス持続時間 - - 30秒0の範囲の電圧で銅線を介して電位を適用します。
      2. 電位に応答して、レコード形状変化。たるみを除去するために、1 MNの固定力を適用します。クランプの位置の変化は、試料中の変化を形状に対応します。 Figuを参照してください。LCEのナノコンポジットサンプルの電気機械測定のための3B再。

LCEナノコンポジットの電気刺激を通じて5.アクティブな細胞培養

1. 30秒間酸素プラズマ下LCEナノコンポジットの一面を扱います。スピンは、プラズマ洗浄された表面の上に1分間3300 rpmで（w / vの1％）をトルエンにポリスチレンの溶液を300μlをキャスト。トルエンを除去し、30秒間、酸素プラズマを用いてLCEナノコンポジットのポリスチレンで被覆された表面を処理するために12時間、真空下でエラストマーを乾燥させます。
2. 表面を殺菌するために30分間70％エタノール溶液中でLCEナノ複合材料を配置します。
   1. リン酸緩衝生理食塩水でLCEナノコンポジットを洗浄し、ポリスチレンで被覆された側を上に向けて乾燥ペトリ皿にLCEを転送します。ラット尾I型コラーゲン溶液（0.02 N酢酸中の50μg/ mlで）5mLに浸漬して被膜LCEの全面。 LCE nをインキュベート少なくとも30分間のCO _2、37℃で、5％anocomposite。
3. 新生仔ラット心室心筋細胞を単離し、以前に^11を報告したように、高血清メッキ媒体に一時停止。
   1. 60万細胞/ cm ² - 100,000密度で上記のように説明したLCE基板の上にプレート細胞。約24時間後、低血清維持培地（DMEM、18.5％M199、5％HS、1％FBSおよび抗生物質）に細胞を移します。心筋細胞は、4日間LCEの表面に付着して増殖することを可能にします。
4. 3-Dプリンターを用いて、製造業者のプロトコルを使用して、図4に示されている容器の概略図を使用してカスタム容器の設計および製造。
   注：3Dは血管を印刷すると、60ミリメートル×40ミリメートル×20ミリメートルと50ミリメートル×30ミリメートル×15ミリメートルの内寸の外形寸法を有する長方形の容器です。二つの側方表面に、導電性カーボン棒を挿入するための5mmの穴の二組があります。ノッチ容器全体に長方形のプラスチック片（52.5ミリメートル×12ミリメートル×4ミリメートルの寸法）を配置すること両端の所定の位置にLCEを保持するための穴の周りと容器の上端までのESができます。穴間の距離は、容器の一方の側に3mmで、 図4に示すように、切欠穴の周りに配置されている。これは、上述LCE基板のサイズに適合するように設計されています。材料補足に示すように、導電性カーボンロッドは、市販の供給業者を介して得られます。
   1. 血管を横切って貫通孔炭素棒を挿入し、医療グレードのシリコーン接着剤を使用して所定の位置に保持します。接着剤のO / Nを治します。
5. 細胞培養維持培地とし、電源に接続された並列導電性炭素棒を充填したカスタム3Dプリント容器への心筋細胞でLCEナノコンポジットを転送します。炭素棒を横断LCEを配置し、電気的接触を確保するために、一方の端部に固定します。
   1. 一方または両方の末端で所定の位置にLCEを保持するが、LCEサンプルの上に緩く、これを配置するために3-D容器内のノッチを通して長方形のプラスチック片を挿入します。電気的に24時間の合計/オフ時間に5秒で40 V AC電位の適用によりLCEを刺激します。
6. 以前¹¹記載されているようにカルセインAMを用いて、生きた細胞の膜を染色します。
7. 核染色のために、倒立蛍光顕微鏡下で撮影する前にDAPI含有封入剤で細胞をカバーしています。生細胞の数をカウントし、最良適合関数を用いて細胞アラインメントの角度を決定するためのImageJを使用。

直接加熱を使用した種の保存法6.アクティブな細胞培養

1. 繰り返しますが、5.1のステップ - 5.3カーボンブラックナノ粒子なしで純粋なLCEを使用して、上記を追加しました。この手順は、先行文献に詳細に記載されている^。11
2. ペトリdに心筋細胞とのLCEを転送細胞培養維持培地と0.5 "×2"カプトン抵抗ヒーターでっぽいです。少なくとも24時間、5秒間隔で熱オンとオフ12 W.サイクルの加熱力で抵抗ヒータをオンすることによりLCEへの供給熱。

結果

モノドメイン種の保存法が原因液晶秩序とのネットワークコンフォメーションのカップリングに形状応答性です。暖房種の保存法一次配列方向に沿って、ポリマーネットワークの収縮を生産する液晶オーダーパラメータの減少をもたらします。 図1Aおよび図1Bに示すように、これは簡単に、ホットプレート上LCEを置くことによって可視化され?...

ディスカッション

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...

資料

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