Preparação de Monodomain cristal líquido elastômeros e de cristal líquido Elastomer nanocompósitos

Resumo

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.

Resumo

LCEs são materiais de forma responsiva com mudança totalmente reversível forma e potenciais aplicações na medicina, engenharia de tecidos, músculos artificiais, e os robôs como suaves. Aqui, demonstramos a preparação de elastómeros de forma responsiva de cristais líquidos (LCES) e nanocompósitos LCE, juntamente com a caracterização da sua forma-responsividade, das propriedades mecânicas, e microestrutura. Dois tipos de LCEs - à base de poli-siloxano e de base epoxi - são sintetizados, alinhados, e caracterizada. LCEs à base de polissiloxano são preparados por meio de dois passos de reticulação, o segundo, sob uma carga aplicada, resultando em LCEs monodomain. nanocompósitos polissiloxano LCE são preparados através da adição de nanopartículas de negro de fumo condutor, tanto ao longo da maior parte do LCE e à superfície do LCE. LCEs à base de epóxido são preparados através de uma reacção de estéril icação reversível. LCEs à base de epóxi estão alinhadas através da aplicação de uma carga uniaxial a elevada (160 ° C) temperatures. LCEs alinhados e nanocompósitos LCE são caracterizados no que diz respeito à tensão reversível, a rigidez mecânica e ordenação de cristal líquido usando uma combinação de imagens bidimensionais medições de difracção de raios-X, calorimetria de varrimento diferencial, e análise dinâmico-mecânica. LCEs e nanocompósitos LCE pode ser estimulada com o calor e / ou potencial eléctrico controlável para gerar estirpes em meios de cultura de células, e que de demonstrar a aplicação de LCEs como substratos forma responsiva para cultura de células utilizando um aparelho feito por encomenda.

Introdução

Materiais que podem exibir alterações de forma rápida, reversível, e programáveis ​​são desejáveis ​​para um número de aplicações emergentes ^1-9. Stents forma de resposta pode ajudar com a cicatrização de feridas e tratamento ^7. Robôs artificiais podem ajudar na exploração ou na realização de tarefas em ambientes que são prejudiciais ou inseguro para os seres humanos ^10. Elastómeros Forma-responsivo são desejáveis ​​para utilização em cultura de células activo, em que as células são cultivadas num ambiente activo. ^11-14 Outras aplicações incluem a embalagem, de detecção, e de entrega de drogas.

Elastômeros de cristal líquido (LCE) são redes de polímeros com cristal líquido encomendar ^15-20. LCEs são feitos através da combinação de uma rede de polímero flexível com as moléculas de cristais líquidos conhecidos como mesogens. A capacidade de resposta dos LCEs é derivado a partir do acoplamento de fim de cristal líquido para as estirpes na rede polimérica, e os estímulos que influenciam a ordenação de mesogens vai genecepas de rede de taxa, e vice-versa. A fim de alcançar grandes e reversíveis forma-mudanças na ausência de uma carga externa, os mesogens devem ser alinhadas numa única direcção no LCE. Um desafio prática comum em trabalhar com LCEs está gerando monodomain LCEs. Outro desafio está gerando mudanças de forma em resposta a estímulos, além do aquecimento direto. Isto pode ser feito através da adição de nanopartículas ou corantes para as redes ^21-28 LCE.

Aqui, nós demonstramos a preparação de LCEs monodomain e nanocompósitos LCE. Em primeiro lugar, demonstrar a preparação de LCEs monodomain usando o método de duas etapas primeiramente relatada por Kupfer et al. ²⁹ Este ainda é o método mais popular e bem conhecido para a preparação LCEs monodomain, mas conseguir o alinhamento uniforme e consistência entre as amostras pode ser um desafio . Nós demonstramos uma abordagem que pode ser facilmente implementado usando equipamento de laboratório padrão, incluindo detalhes sobre a amostragemmanipulação e preparação. Em seguida, mostramos como carbono condutora nanopartículas preto pode ser adicionado a LCEs para produzir condutores, LCEs respondem eletricamente. Em seguida, demonstram a síntese e alinhamento de LCEs à base de epóxi. Estes materiais apresentam ligações de rede e permutáveis ​​pode ser alinhada por aquecimento a temperaturas elevadas e a aplicação de uma carga uniforme. Todos os LCEs são caracterizados por meio de imagens de amostra macroscópica, medidas de difração de raios-X, e análise dinâmico-mecânica. Finalmente, demonstramos um potencial de aplicação LCEs como substratos forma de resposta para a cultura célula ativa.

Protocolo

1. Síntese de Alinhados Polisiloxane LCEs

1. Combinar 166,23 mg de mesogen reactivo (4-metoxif enil 4- (3-buteniloxi) -benzoato de metilo), 40 mg de poli (hydromethylsiloxane), e 12,8 mg de agente de reticulação (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) ³⁰ com 0,6 ml de anidro tolueno num pequeno vaso de reacção (cerca de 13 mm de diâmetro e 100 mm de comprimento) carregado com uma barra de agitação. Agita-se a solução a 35 ° C durante 25 minutos para dissolver.
2. Num frasco separado, preparar uma solução de 1% em peso de dicloro (1,5-ciclooctadieno) platina (II) como catalisador em diclorometano. Adicionar 30 ml de solução de catalisador para os reagentes a partir do passo 1.1 através de uma pipeta, mexa para misturar, e despeje a solução para um (cm x 2 cm x 1 cm 3) politetrafluoretileno rectangular (PTFE) molde feito sob medida. Cobrir o molde frouxamente com uma lâmina de vidro, e colocados no forno de aquecimento a 60 ° C durante 30 min, agitando periodicamente para remover as bolhas durante os primeiros 15 min.
3. Remover o molde do forno de aquecimento e cooL com azoto líquido por meio do derrame de azoto líquido para um recipiente de pequenas dimensões e o contacto do fundo do molde de PTFE com o azoto líquido durante 2 seg.
   1. Uma vez que a mistura tenha arrefecido, remover cuidadosamente elastómero do molde utilizando uma espátula de metal e colocar na parte superior de uma folha de PTFE. Apara as bordas do LCE utilizando uma lâmina de barbear e cortar o LCE ao longo do seu comprimento em três pedaços de tamanhos iguais (aprox. 2,7 centímetros de comprimento e de largura 0,5 cm).
4. Pendurar cada peça por uma extremidade a uma haste horizontal 10 e anexar clipes (4,4 g) à outra extremidade do LCE. Segure a LCE no local usando fita adesiva, e adicionar clipes de papel, um de cada vez em mínimo de incrementos de 10. Pendurar o LCE durante 7 dias à temperatura ambiente, observando as alterações no comprimento e uniformidade. Descarte qualquer amostra que rasga ou se rompe. Retirar amostras e armazenar em temperatura ambiente.

2. Preparação de eletricamente polisiloxano Responsive nanocompósitos LCE

1. Para preparar nanocompósitos LCE com negro de carbono disperso através dograndes quantidades da amostra, em primeiro lugar repetir os passos 1,1-1,4 acima. Adicionar nanopartículas negros de carbono de 4,38 mg para a solução de reacção contendo mesogen reactivo, agente de ligação cruzada, e de siloxano. Usar um total de 5 clipes de papel, em vez de 10 para carregamento.
2. A fim de adicionar nanopartículas de negro de carbono adicional para a superfície do LCE, preparar a 1% w / v solução de nanopartículas de negro de carbono em tolueno. Sonicar durante 20 minutos para dispersar as nanopartículas e, em seguida, verter a dispersão em uma placa de Petri. Mergulhar os LCEs do passo 2.1 na dispersão de nanopartículas durante 6 h.
3. Após 6 h, utilizar uma pipeta para retirar a solução a partir da placa de Petri e permitir que o elastómero a secar ao ar. Limpe cuidadosamente partículas de carbono em excesso na superfície usando fita ou um cotonete.

3. Preparação de LCEs baseados em epóxi reversível

1. Misture 246,15 mg de 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ^31, 101 mg de ácido sebácico, 71,6 mg de ácido hexadecanedioic, e 76 mg de polydi terminada-carboxidecilmetilsiloxano num (3 cm x 2 cm x 1 cm) molde PTFE retangular feito sob medida. Aquecer as amostras colocando sobre uma placa quente a 180 ° C.
   1. Adicionar 11,48 mg de (1,5,7-triazabiciclo [4.4.0] dec-5-eno) e agita-se catalisador de metal usando pinças pré-aquecido a 180 ° C. Continuar a reacção até a mistura se forma um gel, após aproximadamente 20 minutos, e agita-se periodicamente para remover as bolhas gerados por meio da reacção.
2. Remover o barco de PTFE da placa de aquecimento e deixa-se arrefecer para a TA. Usar uma lâmina de barbear para separar o elastómero do molde de PTFE.
3. Colocar duas folhas de PTFE, numa prensa de polímero a 180 ° C. Coloque o elastómero a partir do passo 3.2 entre as folhas de PTFE e comprimir a amostra até uma espessura de 0,3 - 0,5 milímetros. Continuar o aquecimento a 180 ° C durante 4 h.
4. Retirar a amostra e legal para RT. Cortar a amostra em pedaços retangulares (aproximadamente 2,5 cm de comprimento e 0,5 cm de largura). Pendure a amostra em uma extremidade usando fita poliimida dentro de um forno de aquecimento. Anexar 12 paperclips (8,88 g) à extremidade livre da amostra. Ajustar a temperatura do forno de aquecimento a 165 ° CO / N, ou para 12 - 16 h.
5. Remover o elastómero do forno de aquecimento e notar a alteração no comprimento. Aquece-se a amostra a 80 ° C numa placa de aquecimento para remover a tensão residual em seguida arrefecer até à temperatura ambiente.

4. Teste e Caracterização de LCEs

1. Medir estirpe reversíveis por aquecimento das amostras numa placa de aquecimento a 120 ° C e de imagem com uma câmara. Nota do comprimento inicial da amostra à TA, o comprimento da amostra, após aquecimento a 120 ° C, e o comprimento de volta após arrefecimento até à TA. LCEs deve contracção de cerca de 30% e voltar ao seu comprimento inicial ao arrefecer. Ver exemplo imagens apresentadas na Figura 1A e 1B.
2. Analise temperatura de transição de fase e de transição vítrea por calorimetria de varrimento diferencial (DSC) de corte um pequeno pedaço de cada LCE e digitalização de 0 ° C a 150 ° C, a um aquecimento / CoOling taxa de 10 ° C / min ^32,33.
3. Quantificar o grau de alinhamento de cristal líquido por medições de difracção de raios-X. Colocar as amostras em um difratômetro de raios-X com capacidade de imagem 2D. ³³ Ver imagens exemplo de difração mostrados na Figura 2.
   Nota: A imagem de difracção deve ser anisotrópica, reflectindo o alinhamento do LCE ^33. LCEs polisiloxano são LCEs nemáticos e à base de epóxi apresentam uma fase smectic.
4. Medir a rigidez da LCE e mudança em comprimento e largura utilizando análise dinâmico-mecânica (DMA). comprimento da ficha e mudanças de rigidez como uma função da temperatura para LCEs e como uma função do potencial eléctrico para os nanocompósitos LCE.
   1. Para medições de termo-mecânica, utilizar uma lâmina de barbear para cortar manualmente amostras com as dimensões de 2 cm x 0,3 cm e cuidadosamente prender entre as braçadeiras de tensão. Aplicar uma força de 1 milhão para remover qualquer folga.
      1. Amostras equilibrar termicamente a 30 ° C seguinconduzida por ciclos de aquecimento e arrefecimento a 5 ° C / min. amostra de calor de 30 ° C até 120 ° C. Mudanças na temperatura produzem alterações no comprimento e largura da amostra, que são registrados durante a medição DMA. Veja a Figura 3A para medições termomecânicas de uma amostra de LCE.
   2. Para medições electromecânicos, cortado manualmente amostras de LCE nanocompósito para as dimensões de 2 cm x 0,3 cm e cola um fio de cobre em extremidades opostas dos nanocompósitos LCE usando uma prata epóxi. Fixar o nanocompósito LCE usando tensão braçadeiras com 1 mN tensão.
      1. Aplicar um potencial eléctrico através dos fios de cobre com uma tensão que varia de 0 - 60 V, uma frequência de 60 Hz, e um de ligar / desligar duração do impulso variando de 0,1 seg - 30 seg.
      2. alterações na forma de discos em resposta ao potencial elétrico. Aplicar uma força fixa de 1 milhão para remover a folga. A mudança de posição dos grampos corresponde à alteração da forma da amostra. veja Figure 3B para medições eletromecânicos de uma amostra de LCE nanocompósito.

5. Cultura célula ativa através da estimulação elétrica da LCE nanocompósitos

1. Tratar uma superfície de nanocompósitos LCE sob plasma de oxigênio durante 30 segundos. Spin cast 300 ul de uma solução de poliestireno em tolueno (1% w / v) a 3300 rpm durante 1 min em cima da superfície de plasma limpo. Seca-se o elastómero sob vácuo durante 12 horas para remover o tolueno, e tratar a superfície revestida de poliestireno do nanocompósito LCE utilizando plasma de oxigénio durante 30 seg.
2. Coloque nanocompósitos LCE em solução de etanol a 70% durante 30 minutos para esterilizar a superfície.
   1. Lava-se a nanocompósito LCE com solução salina tamponada com fosfato e transferir o LCE para uma placa de Petri seco com o lado revestido de polistireno voltado para cima. Revestimento de toda a superfície do LCE por imersão em 5 ml de uma solução de colagénio tipo I da cauda de rato (50 ug / ml em 0,02 N de ácido acético). Incubar LCE nanocomposite a 37 ° C e 5% de CO _{2 durante pelo} menos 30 min.
3. Isolar cardiomiócitos ventriculares de ratos neonatos e suspendê-media chapeamento de alta soro conforme relatado anteriormente ^11.
   1. Células da placa na parte superior do substratos LCE descrito como acima, a uma densidade de 100.000 - 600.000 ^células / cm2. Cerca de 24 horas mais tarde, transferir as células para a mídia baixos níveis séricos de manutenção (DMEM, 18,5% M199, HS a 5%, 1% de FBS e antibióticos). Permitir cardiomiócitos para prender e proliferar na superfície do LCE durante 4 dias.
4. Concepção e fabrico de um recipiente personalizado utilizando uma impressora 3-D e utilizando o esquema do recipiente mostrado na Figura 4, utilizando o protocolo do fabricante.
   Nota: O 3D impressa recipiente é um recipiente rectangular com dimensões externas de 60 mm x 40 mm x 20 mm e dimensões internas de 50 milímetros x 30 mm x 15 mm. Em duas superfícies laterais, existem dois conjuntos de furos de 5 mm usada para a inserção de varetas de carbono condutoras. EntalheES em torno dos furos e até ao bordo superior do recipiente para permitir a colocação de uma peça de plástico rectangular (dimensões de 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) entre o recipiente para segurar o LCE no lugar em ambas as extremidades. A distância entre os furos é de 3 mm sobre um lado do navio, e os entalhes estão localizados em torno dos furos, como mostrado na Figura 4. Este é concebido para ser compatível com o tamanho dos substratos LCE descritos acima. hastes de fumo condutor são obtidos através de um fornecedor comercial, tal como mostrado no suplemento Materiais.
   1. Insira varetas de carbono através dos orifícios através dos vasos e mantenha no lugar usando adesivo de silicone de grau médico. Curar o adesivo S / N.
5. nanocompósitos transferência LCE com cardiomiócitos para um recipiente personalizado de 3D-impresso preenchido com meio de manutenção de cultura de células e com varetas de carbono condutoras paralelas ligadas a uma fonte eléctrica. Coloque a LCE através das varetas de carbono e fixar em uma extremidade para garantir o contato elétrico.
   1. Insira um pedaço retangular de plástico através dos entalhes no vaso 3-D para manter a LCE no lugar em uma ou ambas as extremidades, mas coloque este vagamente sobre a amostra LCE. Estimular electricamente LCE através da aplicação de um potencial eléctrico de 40 V CA com intervalos de 5 s de ligar / desligar de tempo para um total de 24 h.
6. Corar a membrana de células vivas utilizando calceína AM como anteriormente descrito ^11.
7. Para núcleos de coloração, cobrir as células com DAPI contendo meio de montagem antes de imagem sob um microscópio fluorescente invertido. Use ImageJ para contar o número de células vivas e determinar o ângulo de alinhamento de célula usando a melhor função de ajuste.

6. Cultura célula ativa com LCEs Usando aquecimento direto

1. Repita os passos de 5,1-5,3 acima usando um LCE pura, sem carbono nanopartículas negros acrescentou. Este procedimento também é descrito em pormenor numa publicação prévia. ¹¹
2. Transferir o LCE com cardiomiócitos a um Petri dish com cultura de células media de manutenção e um 0,5 "x 2" Kapton aquecedor resistivo. fornecimento de calor à LCE ligando o aquecedor resistivo com potência de aquecimento de 12 W. ligue e desligue o calor com intervalos de 5 seg durante pelo menos 24 horas.

Resultados

LCEs Monodomain são a forma de resposta devido ao acoplamento da conformação da rede com pedidos de cristal líquido. LCEs aquecimento resulta em uma diminuição no parâmetro de ordem de cristal líquido, que produzem uma contracção da rede polimérica ao longo da direcção de alinhamento principal. Isto é facilmente visualizado através da colocação de um LCE numa placa de aquecimento, como mostrado na Figura 1A e 1B. No aquecimento de RT, os...

Discussão

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...

Materiais

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