Monodomain Sıvı Kristal Elastomerler ve Likit Kristal Elastomer Nanokompozitlerinin Hazırlanması

Özet

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.

Özet

LCEs tam olarak geri dönüşlü şekil değişikliği ve tıpta potansiyel uygulamalar, doku mühendisliği, yapay kas ve yumuşak robotlar ile şekil duyarlı malzemelerdir. Burada, bunların şekil yanıt karakterizasyonu, mekanik özellikler ve mikro birlikte şekil duyarlı sıvı kristal elastomerler (LCEs) ve LCE nanokompozitlerin preparasyonunu göstermektedir. LCEs iki tip - polisiloksan esaslı Epoksi - sentez hizalanır ve karakterize edilir. Polisiloksan esaslı LCEs monodomain LCEs sonuçlanan iki çapraz bağlama adımları, belli bir yük altında ikinci yoluyla hazırlanır. Polisiloksan LCE nanokompozitler LCE kütlesi içinde ve LCE yüzeyine, hem iletken karbon siyahı nanopartiküllerin eklenmesiyle hazırlanmaktadır. Epoksi esaslı LCEs tersinir bir esterifikasyon reaksiyonu ile hazırlanır. Epoksi esaslı LCEs (160 ° C) yüksek bir T bir tek eksenli bir yük uygulanması ile hizalanıremperatures. Hizalanmış LCEs ve LCE nanokompozitler görüntüleme, iki boyutlu X-ışını difraksiyon ölçümleri, diferansiyel tarama kalorimetrisi, dinamik mekanik analiz bir kombinasyonu kullanılarak geri gerilme, makine sertlik ve sıvı kristal sipariş göre karakterize edilir. LCEs ve LCE nanokompozitler kontrol edilebilir hücre kültür ortamında suşları oluşturmak için ısı ve / veya elektrik potansiyeli ile uyarılmış ve bir ölçüye cihazı kullanılarak, hücre kültürü için şekil yanıt substratlar olarak LCEs uygulanmasını göstermektedir edilebilir.

Giriş

Hızlı, tersine çevrilebilir, ve programlanabilir şekil değişikliklerini sergileyebilir malzemeler ortaya uygulama ^{1-9 arasında bir} sayı için tercih edilir. Şekil-duyarlı stentler yara iyileşmesi ve tedavisi ⁷ ile yardımcı olabilir. Yapay robotlar keşif veya zararlı ya da insanlar ¹⁰ güvensiz ortamlarda görevlerini yürüten yardımcı olabilir. Şekil duyarlı elastomerler hücreler aktif bir ortamda kültürlenir, aktif hücre kültürü, kullanım için tercih edilirler. ^11-14 Diğer uygulamalar paketleme, algılama ve ilaç verilmesini içerir.

Sıvı kristal elastomerler (LCE) sıvı kristal ^15-20 sipariş ile polimer ağlardır. LCEs mezojenler olarak bilinen, sıvı kristal molekülleri ile, esnek bir polimer ağı birleştirilerek yapılır. LCEs duyarlılığı mezojenler sıralamasını etkileyen polimerik ağda suşları ve uyaranlara sıvı kristal düzeninin birleşmesiyle oluşur olacak genoran ağ suşları, ve tersi. Harici bir yüke maruz olmayan, büyük ve tersine çevrilebilir bir şekil değişiklikleri elde etmek için, mezogenler LCE tek bir yönde hizalanmış olması gerekir. LCEs ile çalışan ortak bir pratik zorluk LCEs monodomain oluşturuyor. Diğer bir zorluk doğrudan ısıtma dışındaki uyaranlara yanıt olarak şekil değişiklikleri oluşturuyor. Bu LCE ağlar ^21-28 nanopartiküller ya da boyalar ilave edilerek yapılabilir.

Burada, monodomain LCEs ve LCE nanokompozitlerin preparasyonunu göstermektedir. İlk olarak, ilk Kupfer ve arkadaşları tarafından rapor edilen iki aşamalı yöntemi kullanarak monodomain LCEs hazırlanmasını göstermektedir. ²⁹ Bu hala zor olabilir örnekleri arasında düzgün hizalanmasını ve tutarlılığı monodomain LCEs hazırlanması ancak elde edilmesi için en popüler ve iyi bilinen bir yöntemdir . Biz örnekleme tam ayrıntılar da dahil olmak üzere kolayca standart laboratuar ekipmanı kullanılarak uygulanabilir bir yaklaşım, göstermektaşıma ve hazırlık. Daha sonra, iletken karbon siyahı nanopartiküller olarak iletken, elektriksel olarak duyarlı LCEs üretilmesi için LCEs eklenebilir şeklini göstermektedir. Sonra, epoksi esaslı LCEs sentezini ve hizalanmasını göstermektedir. Bu malzemeler değişebilir ağ bağlar sergiler ve yüksek sıcaklıklara ısıtılması ve homojen bir yük uygulanması ile uyumlu olabilir. Tüm LCEs makroskopik örnek görüntüleme, X-ışını difraksiyon ölçümleri, dinamik mekanik analiz ile karakterize edilir. Son olarak, biz aktif hücre kültürü için şekil duyarlı yüzeyler olarak LCEs biri potansiyel uygulama göstermektedir.

Protokol

Bağlantısızlar Polisiloksan LCEs 1. Sentezi

1. Susuz 0,6 mi ile reaktif mezojen (4-metoksifenil 4- (3-büteniloksi) benzoat) ve 166,23 mg, poli (hidrometilsiloksan), 40 mg, ve çapraz bağlayıcı 12.8 mg (1,4-di (10 ^{undecenyloxybenzene),} 30 birleştirme küçük bir şişede, toluen (çapı yaklaşık olarak 13 mm ve uzunluk olarak 100 mm), bir karıştırma çubuğu yüklenmiştir. çözünmesi için 25 dakika boyunca 35 ° C'da, çözelti karıştırılır.
2. Ayrı bir şişede, ağırlıkça% 1 dikloro (1,5-siklooktadien) diklorometan -platinum (II) katalizörünün bir solüsyon hazırlanır. , Pipetle adım 1.1 reaktifleri katalizör çözeltisi 30 ul ekle karıştırmak için karıştırılmış ve ısmarlama (3 cm x 2 cm x 1 cm) dikdörtgen politetrafloroetilen (PTFE) kalıba dökün. İlk 15 dakika boyunca kabarcıklarını çıkarmak için periyodik olarak çalkalarken 30 dakika boyunca 60 ° C'de ısıtma fırınında cam slayt ve yer ile gevşek bir şekilde kalıp kapatılır.
3. ısıtma fırın ve coo gelen kalıp çıkarmakküçük bir kap içine sıvı azot dökme ve 2 saniye sıvı azot ile teflon kalıp alt irtibata geçerek sıvı nitrojen ile l.
   1. Karışım soğuduktan sonra, dikkatli bir şekilde, bir metal spatula kullanılarak kalıptan elastomerin çıkarın ve PTFE tabaka üzerine yerleştirin. Bir jilet kullanarak LCE kenarlarını kırpın ve üç eşit büyüklüğünde parçalara (yakl. 2,7 cm uzunluğunda ve 0.5 cm genişliğinde) içine uzunluğu boyunca LCE kesti.
4. yatay çubuğun bir ucundan her bir parça asmak ve LCE diğer ucuna 10 ataç (4.4 g) ekleyin. bant kullanarak yerine LCE tutun ve 10 dk artışlarla bir defada Ataç tane ekleyin. uzunluğunda ve homojenlik değişiklikleri not, oda sıcaklığında 7 gün boyunca LCE asın. yırtık ya da sonları herhangi bir örnek atın. örnekleri çıkarın ve çevre sıcaklığında saklayın.

Elektrikle Duyarlı Polisiloksan LCE Nanokompozitlerinin 2. Hazırlık

1. aracılığıyla dağılmış karbon siyahı ile LCE Nanokompozitleri hazırlamak içinYukarıda 1.4 - numunenin toplu, ilk tekrar 1.1 adımları. Reaktif mezojen, çapraz bağlayıcı ve siloksan içeren tepkime çözeltisine, 4.38 mg karbon karaları nano partikülleri ekleyin. 5 Ataç yerine yükleme için 10 olmak üzere toplam kullanın.
2. LCE yüzeye ek bir karbon karası nano partikülleri eklemek için, tolüen içinde karbon karası nanopartiküllerin ağırlık / hacim solüsyonu% 1 hazırlar. 20 dakika boyunca sonikasyon nanopartiküller dağıtmak ve daha sonra bir Petri kabı içine dağılmasını dökmek için. 6 saat nanoparçacık dağılım adım 2.1 LCEs daldırın.
3. 6 saat sonra Petri kabı çözelti çekmek için bir pipet kullanın elastomer havada kurumaya bırakılır. Yavaşça kaset veya bir pamuklu çubuk kullanarak yüzeyde aşırı karbon parçacıkları temizleyin.

Döner epoksi bazlı LCEs 3. hazırlanması

1. 4,4'-diglycidyloxybiphenyl ³¹ 101 mg sebasik asit 246,15 mg, hexadecanedioic asit 71.6 mg ve carboxydecyl terminasyonlu polidimetilsiloksan 76 mg karıştırınısmarlama (3 cm x 2 cm x 1 cm) dikdörtgen teflon kalıp içinde metilsiloksan. 180 ° C'de bir ocak koyarak örnekleri ısıtın.
   1. (1,5,7-triazabisiklo [4.4.0] dek-5-en), katalizör 11.48 mg ekleyin ve 180 ° C'ye kadar önceden ısıtılmış bir metal cımbız kullanarak karıştırın. Karışım daha sonra yaklaşık 20 dakika, bir jel kıvamına gelinceye kadar tepki devam edin ve reaksiyonu tarafından üretilen kabarcıklarını çıkarmak için periyodik olarak karıştırın.
2. ocak adlı PTFE tekne çıkarın ve oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin. PTFE kalıptan elastomer ayırmak için jilet kullanın.
3. 180 ° C de bir polimer presinde iki PTFE yaprak yerleştirin. PTFE tabakası arasında adım 3.2 elastomerin yerleştirin ve 0.3 bir kalınlığa örnek sıkıştırmak - 0.5 mm. 4 saat boyunca 180 ° C'de ısıtma devam edin.
4. RT numune ve serin çıkarın. dikdörtgen parçalara (yaklaşık olarak 2.5 cm uzunluğunda ve 0.5 cm genişliğinde) halinde örnek kesin. bir ısıtma fırının içindeki polimid bant kullanarak bir ucunda örnek asın. 12 pa takınNumunenin serbest ucuna perclips (8.88 g) verdi. 16 saat - 165 ° CO / N ya da 12 ısıtma fırının sıcaklığını ayarlamak.
5. ısıtma fırınından elastomerin çıkarın ve uzunluğu değişiklik fark. Daha sonra artık stresi kaldırmak oda sıcaklığına geri soğumaya bir ocak 80 ° C'ye örnek ısıtın.

LCEs 4. Test ve Karakterizasyonu

1. Bir kamera ile 120 ° C ocak ve görüntüleme örnekleri ısıtarak geri dönüşümlü gerginlik ölçün. Oda sıcaklığına geri soğutulduktan sonra oda sıcaklığında ilk numune uzunluğu, 120 ° C'ye kadar ısıtıldıktan sonra örnek uzunluğuna ve uzunluğuna. LCEs yaklaşık% 30 oranında sözleşme ve soğutma başlangıç ​​uzunluğuna dönmelidir. Şekil 1A ve 1B gösterilen örnek resimlere bakın.
2. bir ısıtma / co 150 ° C, 0 ° C ile her LCE ve taramadan elde edilen küçük bir parça kesilerek diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ile faz geçiş sıcaklığı ve cam geçiş analiz10 ° C'ye oranı oling / ^32,33 dak.
3. X-ışını difraksiyon ölçümleri ile sıvı kristal hizalama derecesini ölçmek. 2B görüntüleme yetenekleri ile bir X-ışını difraktometresi yerleştirin örnekleri. ³³ Şekil 2'de gösterilen örnek kırınım resimlere bakın.
   Not: kırınım görüntü anizotropik olmalı, LCE ³³ hizalanmasını yansıtmaktadır. Polisiloksan LCEs nematik Epoksi LCEs bir smektik faz sergiler.
4. LCE ve uzunluk değişikliği sertliğini ölçmek ve dinamik mekanik analiz (DMA) ile genişlik. Telaffuz uzunluğu LCEs ve LCE nanokompozit elektrik potansiyel bir fonksiyonu olarak, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak sertlik değişir.
   1. termo-mekanik ölçümler için, elle x 0.3 cm 2 cm boyutlarında numune kesmek için jilet kullanmak ve dikkatli bir şekilde gerginlik kelepçeler arasında sabitleyin. Herhangi bir boşluğu almak için 1 mN bir kuvvet uygulanır.
      1. Termal 30 ° C Follo Örnekleri muvazene5 ° C / dakika ısıtma ve soğutma çevrimleri ile evli. 120 ° C 'ye kadar 30 ° C ile ısı örneği. sıcaklık değişiklikleri, DMA, ölçüm sırasında kaydedilen numune uzunluğu ve genişlik değişiklikleri oluşturur. Bir LCE örnek termomekanik ölçümleri için Şekil 3A.
   2. elektromekanik ölçümleri için, elle x 0.3 cm, 2 cm boyutlarına LCE nanokompozit örnekleri kesilmiş ve gümüş epoksi kullanarak LCE nanokompozit karşıt uçlarında bir bakır tel tutkal. gerilimi kullanarak LCE nanokompozit 1 mN gerilim ile kıskaçları sabitleyin.
      1. değişen bir voltajda bakır teller üzerinden bir elektrik potansiyeli uygulayın 0 dan - 30 sn - 60 V, 60 Hz'lik bir frekansta ve bir 0.1 sn arasında değişen / kapama darbe süresi üzerinde.
      2. elektrik potansiyeli yanıt olarak rekor şekil değişir. gevşekliği gidermek için 1 mN sabit kuvvet uygulanır. kelepçelerin pozisyonda değişiklik numunedeki şekil değiştirir karşılık gelir. figu görünBir LCE nanokompozit numunenin elektromekanik ölçümleri için 3B yeniden.

LCE Nanokompozitlerinin Elektrik Uyarım ile 5. Aktif Hücre Kültürü

1. 30 saniye için oksijen plazma altında LCE nanokompozitlerin bir yüzeyi tedavi edin. Sıkma toluen polistiren çözeltisi 300 ul dökme (w /% 1 h), plazma temizlenmiş yüzey üzerine 1 dakika için 3300 rpm'de. toluen kaldırmak ve 30 saniye boyunca oksijen plazma kullanılarak LCE nanokompozitin polistiren kaplı yüzey tedavisi için 12 saat boyunca vakum altında elastomer kurutun.
2. yüzey sterilize etmek için, 30 dakika boyunca% 70 etanol çözeltisi içinde LCE nanokompozitler yerleştirin.
   1. fosfat tamponlu tuzlu su ile LCE nanokompositlerin yıkayın ve polistiren kaplı yüzü yukarı bakacak şekilde, kuru Petri kabı LCE aktarın. Bir fare kuyruk kolajeni tip I çözeltisine (0.02 N, asetik asit içinde 50 ug / ml), 5 ml suya daldırma ile kaplamak LCE tüm yüzeyini. LCE n inkübeEn az 30 dakika boyunca 37 ° C'de anocomposite ve% 5 _CO2.
3. Yenidoğan sıçan ventriküler kardiyomiyositlerde izole etmek ve daha önce ¹¹ bildirildiği gibi yüksek serum kaplama medya askıya.
   1. ^/ Cm2 600.000 hücre - Buz substratların üzerine plakası hücreleri 100,000 yoğunluğunda yukarıda tarif edildiği gibi. Çevresi 24 saat sonra, düşük serum bakım medya (DMEM,% 18.5 M199,% 5 HS,% 1 FBS ve antibiyotik) hücreleri aktarmak. Kardiyomiyositlerde 4 gün boyunca LCE yüzeyinde tutunur ve çoğalırlar izin verin.
4. Tasarım ve bir 3-D yazıcı kullanılarak ve üreticinin protokolü kullanılarak, Şekil 4'te gösterilen kabın şematik kullanarak özel bir kap imal.
   Not: 3D damar baskılı 60 mm x 40 mm x 20 mm ve 50 mm x 30 mm x 15 mm iç boyutları dış boyutları olan bir dikdörtgen kaptır. iki yan yüzeylerde, iletken karbon çubuklar eklemek için kullanılan 5 mm delik iki set vardır. Çentikkabın üst kenarına delikler çevresinde yukarı ES her iki ucunda yer LCE tutmak için dikdörtgen bir plastik parça kap arasında (52.5 mm x 12 mm x 4 mm boyutları) yerleştirilmesi için izin verir. Delikler arasındaki mesafe, kabın bir tarafında 3 mm'dir, ve Şekil 4'te gösterildiği gibi, çentikler delik çevresinde yer almaktadır. Bu, yukarıda tarif edilen substratlar LCE büyüklüğü ile uyumlu olacak şekilde tasarlanmıştır. Malzemeler Ek gösterildiği gibi iletken karbon çubuklar ticari bir tedarikçi yoluyla elde edilir.
   1. gemiler arasında deliklerden karbon çubuklar yerleştirin ve tıbbi silikon yapıştırıcı kullanılarak yerinde tutun. Yapışkan O / N Cure.
5. Hücre kültürü bakım ortamı ile bir elektrik kaynağına bağlı paralel iletken karbon çubuklar ile dolu bir özel 3D baskılı kabına kardiyomiyosit transfer LCE nanokompozitler. Karbon çubuklar arasında LCE yerleştirin ve elektrik temas sağlamak için bir ucunda düzeltmek.
   1. bir ya da her iki ucunda yer LCE sahip ancak LCE numune üzerinde gevşek bu yere 3-D kabı içinde çentikler ile dikdörtgen plastik parça yerleştirin. Elektrikli 24 saatlik bir toplam / kapama süresi 5 saniye ile 40 V AC elektrik potansiyelinin uygulanmasıyla LCE uyarır.
6. Daha önce ¹¹ açıklandığı gibi Calcein AM kullanarak canlı hücre zarı Leke.
7. çekirdekler boyama için, bir ters flüoresan mikroskop altında görüntüleme önce montaj orta DAPI içeren hücreleri kapsar. canlı hücrelerin sayısını ve en uygun işlevini kullanarak hücre uyum açısını belirlemek için ImageJ kullanın.

Doğrudan Isıtma kullanılması LCEs 6. Aktif Hücre Kültürü

1. siyah nanopartiküller eklenen karbon olmadan saf LCE kullanarak yukarıdaki 5.3 - Tekrar 5.1 adımları. Bu prosedür, aynı zamanda, bir önceden yayında ayrıntılı olarak tarif edilmiştir. ¹¹
2. Petri d kardiyomiyositlerinin ile LCE transferHücre kültürü bakım ortamı ve 0,5 "x 2" Kapton dirençli ısıtıcı ile ish. En az 24 saat süreyle ve 5 saniye aralıklarla ısı kapalı 12 W. Döngüsü ısıtma gücü ile rezistif ısıtıcı açarak LCE Tedarik ısı.

Sonuçlar

Monodomain LCEs nedeniyle sıvı kristal sipariş ile ağ konformasyon kaplin şekil duyarlı. Isıtma LCEs primer hizalama yönünde polimerik ağın bir kısaltmanın üretilmesine sıvı kristal sırası parametresindeki bir azalma ile sonuçlanır. Şekil 1 A ve 1 B 'de gösterildiği gibi, bu kolay bir sıcak plaka üzerindeki bir LCE yerleştirerek görüntülenmiştir. daralma RT, numunenin uzunluğu boyunca LCE sözleşmeleri, gelen ve izotro...

Tartışmalar

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...

Malzemeler

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