Получение Monodomain жидкокристаллический эластомеров и жидкокристаллический эластомерных нанокомпозитов

Резюме

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.

Аннотация

LCEs являются формы реагирующих материалов с полностью обратимое изменение формы и потенциальных применений в медицине, тканевой инженерии, искусственных мышц и как мягкие роботы. Здесь мы демонстрируем подготовку формы реагирующих жидкокристаллических эластомеров (LCEs) и LCE нанокомпозитов наряду с характеристикой их формы-отзывчивость, механических свойств и микроструктуры. Два типа LCEs - полисилоксановых основе и на основе эпоксидной смолы - синтезируются, выровнены, и характеризуют. Полисилоксановые основе LCEs получают через два этапа сшивания, второй при нагрузке, в результате чего monodomain LCEs. Полисилоксан LCE нанокомпозиты получают путем добавления ща сажа наночастиц, как по всему объему в LCE и к поверхности LCE. Эпоксидной основе LCEs получают путем обратимой реакции этерификации. Эпоксидной основе LCEs выровнены посредством применения одноосного нагрузки при повышенной (160 ° C) Temperatures. Унифицированные LCEs и LCE нанокомпозиты характеризуются относительно обратимой деформации, механической жесткостью и кристаллической упорядоченности жидкого используя комбинацию изображений, двумерных измерений рентгеновской дифракции, дифференциальной сканирующей калориметрии и динамического механического анализа. LCEs и LCE нанокомпозиты можно стимулировать с теплом и / или электрического потенциала к контролируемым получения штаммов в среде для культивирования клеток, и мы продемонстрировать применение LCEs как форма реагирующих субстратов для культивирования клеток с использованием заказных аппарат.

Введение

Материалы, которые могут проявлять быструю, обратимые и программируемые изменения формы желательны для ряда новых приложений ^1-9. Форма проблематику стенты могут оказать помощь в исцелении и лечения ⁷ раны. Искусственные роботы могут помочь в разведке или в выполнении задач в условиях, которые вредны или небезопасным для человека ^10. Форма реагирующих эластомеры являются желательными для использования в активной клеточной культуре, в которой клетки культивируют в среде активного. ^11-14 Другие приложения включают упаковывать, зондирование и доставку лекарственного средства.

Жидкокристаллические эластомеры (LCE) являются полимерные сетки с жидкокристаллический заказе ^15-20. LCEs изготавливаются путем объединения гибкую полимерную сетку с молекул жидких кристаллов, известных как мезогенов. Отзывчивость LCEs происходит от сочетания жидкой того кристаллической чтобы штаммов в полимерную сеть, и стимулов, которые влияют на порядок мезогенов будет генсетевые штаммы ставку, и наоборот. Для того чтобы достичь больших и обратимые Shape-изменения в отсутствии внешней нагрузки, то мезогены должны быть выровнены в одном направлении в LCE. Общей задачей практической работы с LCEs генерирует monodomain LCEs. Еще одной проблемой является порождающим изменения формы в ответ на раздражители, кроме прямого нагрева. Это может быть сделано путем добавления наночастиц или красителей к LCE сетей ^21-28.

Здесь мы демонстрируем подготовку monodomain LCEs и LCE нанокомпозитов. Во-первых, мы демонстрируем подготовку monodomain LCEs использованием метода двухэтапный впервые сообщил Купферу др. ²⁹ Это по-прежнему самый популярный и известный способ получения monodomain LCEs, но для получения однородной выравнивание и согласованности между образцами может быть сложным , Мы демонстрируют подход, который может быть легко реализована с помощью стандартного лабораторного оборудования, в том числе более подробной информации о выборкеОбработка и подготовка. Далее, мы покажем, как сажа наночастицы могут быть добавлены к LCEs производить проводящие, электрически реагирующие LCEs. Мы тогда продемонстрировать синтез и выравнивание эпоксидной основе LCEs. Эти материалы демонстрируют сменные сетевые связи и могут быть выровнены при нагревании до повышенных температур и применяя равномерную нагрузку. Все LCEs характеризуются через макроскопического образца с изображениями, дифракционных измерений рентгеновских и динамического механического анализа. Наконец, мы демонстрируем один потенциальное применение LCEs как форма реагирующих субстратов для активного культуры клеток.

протокол

1. Синтез неприсоединения полисилоксана LCEs

1. Зерноуборочный 166.23 мг реактивной мезогена (4-метоксифенил 4- (3-бутенилокси) бензоат), 40 мг поли (hydromethylsiloxane) и 12,8 мг сшивающего агента (1,4-ди (10-undecenyloxybenzene) ³⁰ с 0,6 мл безводного толуол в небольшом флаконе (приблизительно 13 мм в диаметре и 100 мм в длину), заправленного снабженную стержнем дл перемешивани. раствор перемешивали при 35 ° C в течение 25 мин, чтобы растворить.
2. В отдельном флаконе, приготовить раствор 1% -ного дихлор (1,5-циклооктадиен) -platinum (II) катализатора в дихлорметане. Добавить 30 мкл раствора катализатора к реагентам с шага 1.1 с помощью пипетки, перемешать, чтобы смешать и залить раствор в заказном (3 см х 2 см х 1 см) прямоугольная политетрафторэтилена (ПТФЭ) плесени. Накройте форму свободно с предметным стеклом и поместить в нагревательную печь при 60 ° С в течение 30 мин при встряхивании периодически, чтобы удалить пузырьки в течение первого 15 мин.
3. Удалить плесень с нагревательной печи и ворковатьл с жидким азотом путем заливки жидкого азота в небольшой контейнер и контактирование дно ПТФЭ плесени с жидким азотом в течение 2 сек.
   1. После того как смесь остынет, осторожно удалить эластомер от плесени с помощью металлического шпателя и поместите сверху лист ПТФЭ. Обрежьте края LCE с использованием лезвия бритвы и отрезать LCE по своей длине на три части размера равных (прибл. Длиной 2,7 см и шириной 0,5 см).
4. Повесьте каждый кусок одним концом к горизонтальной штанги и прикрепить 10 скрепки (4,4 г) в другом конце LCE. Удерживая LCE на месте с помощью липкой ленты, а также добавить скрепки по одному с шагом 10 мин. Повесьте LCE в течение 7 дней при комнатной температуре, отметив изменения в длине и однородности. Отменить любые пробы, что слезы или ломается. Удалить образцы и хранить при комнатной.

2. Подготовка Электрически Отзывчивый полисилоксановых LCE нанокомпозитов

1. Чтобы подготовить LCE нанокомпозитов с сажей, диспергированной черезОсновная часть выборки, первый повторите шаги 1.1 - 1.4 выше. Добавить 4,38 мг сажи наночастицы реакционного раствора, содержащего реакционноспособную мезогена, сшивающий агент, и силоксан. Используйте в общей сложности 5 скрепки вместо 10 для погрузки.
2. Для того чтобы добавить дополнительное сажи наночастицы на поверхность LCE, подготовить 1% вес / объем раствора углеродной сажи наночастиц в толуоле. Разрушать ультразвуком в течение 20 мин, чтобы разогнать наночастиц, а затем заливают дисперсию в чашку Петри. Погружают LCEs с шага 2.1 в дисперсии наночастиц в течение 6 ч.
3. После 6 ч, использовать пипетку вывести раствора из чашки Петри и позволяют эластомер высохнуть на воздухе. Аккуратно очистите лишние частицы углерода на поверхности с помощью липкой ленты или ватный тампон.

3. Подготовка LCEs Реверсивный эпоксидной основе

1. Смешайте 246.15 мг 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ³¹ 101 мг себациновой кислоты, 71,6 мг hexadecanedioic кислоты и 76 мг carboxydecyl концевыми polydiметилсилоксановый в заказном (3 см х 2 см х 1 см) прямоугольной формы из ПТФЭ. Нагреть образцы, помещая на плите при 180 ° С.
   1. Добавить 11,48 мг (1,5,7-триазабицикло [4.4.0] дец-5-ен) катализатора и перемешивают с использованием металлических пинцет предварительно нагретых до 180 ° С. Продолжить реакцией, пока смесь не образует гель, после примерно 20 минут, и перемешивают периодически, чтобы удалить пузырьки, генерируемые реакции.
2. Снимите PTFE лодку от конфорки и дать остыть до комнатной температуры. Используйте лезвие, чтобы отделить эластомер из ПТФЭ плесени.
3. Поместите два листы ПТФЭ в полимерной прессе при 180 ° С. Поместите эластомер с шага 3.2 между тефлоновыми листами и сжимать образец до толщины 0,3 - 0,5 мм. Продолжайте нагревание при 180 ° С в течение 4 ч.
4. Удалить образец и охладить до комнатной температуры. Вырезать образец в прямоугольные куски (примерно 2,5 см длины и 0,5 см ширины). Повесьте образца на одном конце с помощью полиимида ленты внутри нагревательной печи. Приложить на 12 Paperclips (8,88 г) к свободному концу образца. Установите температуру нагревательной печи до 165 ° CO / N, или для 12 - 16 ч.
5. Удалить эластомера из нагревательной печи и обратите внимание на изменение длины. Нагреть образец до 80 ° C на плите, чтобы удалить остаточное напряжение затем охлаждаться до комнатной температуры.

4. Тестирование и характеристика LCEs

1. Измерить обратимой деформации при нагревании образцов на плите до 120 ° С и визуализации с камерой. Обратите внимание на начальную длину образца при комнатной температуре, длина образца после нагрева до 120 ° С, а длина после охлаждения до комнатной температуры. LCEs должны сжиматься приблизительно на 30% и вернуться к своей первоначальной длине при охлаждении. См пример изображения, показанные на фиг.1А и 1В.
2. Анализ температуру фазового перехода и стеклования с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) путем разрезания кусочек от каждого LCE и сканирования от 0 ° С до 150 ° С со отопления / шскорость 10 ° С oling / мин ^32,33.
3. Количественно степень жидкого выравнивания кристалла измерений дифракции рентгеновских лучей. Место образцов в рентгеновском дифрактометре с возможностями 2D визуализации. ³³ Смотри пример дифракционные изображения, показанные на рисунке 2.
   Примечание: дифракция изображение должно быть анизотропным, отражая выравнивание LCE ^33. Полисилоксановые LCEs являются нематических и эпоксидных LCEs проявляют смектической фазе.
4. Измерить жесткость LCE и изменением длины и ширины с помощью динамического механического анализа (DMA). Длина записи и жесткости изменяется как функция температуры для LCEs и как функции электрического потенциала для LCE нанокомпозитов.
   1. Для термомеханических измерений, используйте лезвие, чтобы вручную вырезать образцы с размерами 2 см х 0,3 см и тщательно закрепить между натяжными зажимами. Нанесите силу 1 мин, чтобы устранить провисание.
      1. Термически уравновешивания образцов при 30 ° С Folloво главе с циклов нагрева и охлаждения при 5 ° С / мин. Тепло образец от 30 ° C до 120 ° C. Изменения температуры вызывают изменения в длине и ширине образца, которые регистрируются во время измерения DMA. Смотрите рисунок 3А тепломеханического измерений образца LCE.
   2. Для электромеханических измерений, вручную вырезать LCE образцы нанокомпозитных до размеров 2 см х 0,3 см и склеить медную проволоку на противоположных концах LCE нанокомпозитов с использованием серебряной эпоксидной смолы. Закрепите LCE нанокомпозит с помощью натяжных зажимов с 1 мН напряженности.
      1. Применить электрический потенциал через медные провода при напряжении в диапазоне от 0 - 60 В, частотой 60 Гц, а также от продолжительности включения / выключения импульса в диапазоне от 0,1 сек - 30 сек.
      2. Запись изменения формы в ответ на электрический потенциал. Применить фиксированную силу 1 мин, чтобы устранить провисание. Изменение положения зажимов соответствует формировать изменения в образце. См FIGUповторно 3B для электромеханических измерений образца LCE нанокомпозита.

5. Активная Культура клеток через электрическую стимуляцию LCE нанокомпозитов

1. Лечить одну поверхность LCE нанокомпозитов под кислородной плазмы в течение 30 сек. Спин литой 300 мкл раствора полистирола в толуоле (1% вес / объем) в 3,300 оборотов в минуту в течение 1 мин на верхней части плазменной очищены поверхности. Сушат эластомер под вакуумом в течение 12 ч, чтобы удалить толуол, и лечить полистирола, покрытые поверхности LCE нанокомпозита с использованием кислородной плазмы в течение 30 сек.
2. Поместите LCE нанокомпозитов в 70% растворе этанола в течение 30 мин, чтобы стерилизовать поверхность.
   1. Промыть LCE нанокомпозит с фосфатным буферным солевым раствором и передачи LCE к сухому чашки Петри с боковой полистирола, покрытые вверх. Шерсть на всю поверхность LCE путем погружения в 5 мл крысиного хвоста раствор коллагена типа I (50 мкг / мл в 0,02 N уксусной кислоты). Выдержите LCE пanocomposite при 37 ° С и 5% _{СО 2 в течение} по меньшей мере 30 мин.
3. Изолировать неонатальные желудочковых кардиомиоцитов крыс и приостановить высокого сывороточного гальванического СМИ, как сообщалось ранее ^11.
   1. Пластина клеток на верхней части LCE субстратов описан выше при плотности 100000 - 600000 клеток / см ^2. Вокруг 24 ч позже, передавать клетки к низкой сыворотки обслуживания СМИ (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% FBS и антибиотиков). Разрешить кардиомиоциты прикрепить и пролиферируют на поверхности LCE в течение 4 дней.
4. Спроектировать и изготовить пользовательский сосуд с использованием 3-D принтер по и используя схему судна, показанного на фиг.4, используя протокол производителя.
   Примечание: 3D напечатаны сосуд представляет собой прямоугольный контейнер с наружными размерами 60 мм х 40 мм х 20 мм и внутренними размерами 50 мм х 30 мм х 15 мм. На двух боковых поверхностей, существуют два набора отверстий 5 мм, используемые для вставки проводящие графитовые стержни. выемкаES вокруг отверстий и до верхнего края контейнера позволяют для размещения прямоугольную пластмассовую деталь (размеры 52,5 мм х 12 мм х 4 мм) через сосуд для хранения LCE в месте на обоих концах. Расстояние между отверстиями составляет 3 мм на одной стороне судна, и вырезы расположены вокруг отверстий, как показано на рисунке 4. Это предназначено, чтобы быть совместимым с размерами LCE субстратов, описанных выше. Проводящие углерода стержни получены через коммерческого поставщика, как показано в Приложении материалов.
   1. Вставьте графитовые стержни через отверстия по всей сосудов и зафиксировать на месте с помощью силиконовый клей медицинского назначения. Вылечить клей O / N.
5. Передача LCE нанокомпозиты с кардиомиоцитов к пользовательской 3D-печатных сосуд, наполненный среды для культивирования клеток обслуживания и с параллельными проводящими углерода стержней, соединенных с источником электропитания. Поместите LCE через углерода стержней и закрепить на одном конце, чтобы обеспечить электрический контакт.
   1. Вставьте прямоугольную пластмассовую деталь с прорезями в 3-D судна провести LCE на месте в одном или обоих концах, но разместить это свободно по образцу LCE. Электрические стимулировать LCE через применения электрического потенциала 40 В переменного тока с 5 сек вкл / выкл время в общей сложности 24 часов.
6. Пятно мембраны живых клеток с использованием кальцеиновыми AM, как описано ранее ^11.
7. Для ядер окрашивания, покрытия клетки с DAPI содержащих монтажную среду перед визуализации под перевернутой флуоресцентного микроскопа. Используйте ImageJ для подсчета количества живых клеток и определить угол выравнивания ячеек с использованием лучшую функцию Fit.

6. Активный клеточной культуры с LCEs Использование прямого нагрева

1. Повторите шаги 5.1 - 5.3 выше, с использованием чистого LCE без добавочного угля черные наночастицы. Эта процедура также подробно описаны в предварительной публикации. ¹¹
2. Перенести LCE с кардиомиоцитов к Петри Dиш с клеточных культур обслуживанию средств массовой информации и 0,5 "х 2" каптоновой резистивного нагревателя. Поставка тепла к LCE поворотом на резистивный нагреватель с тепловой мощностью 12 Вт и выключаться тепла с 5-секундными интервалами в течение по крайней мере 24 часов.

Результаты

Monodomain LCEs являются форма проблематику благодаря сцеплению сети конформации с кристально упорядочения жидкой. Отопительные LCEs приводит к уменьшению в жидком параметра кристаллической порядка, производя сокращение полимерной сети вдоль первичной оси выравнивания. Эт...

Обсуждение

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...

Материалы

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