单畴液晶弹性体及液晶弹性体纳米复合材料的制备

摘要

我们展示了基于硅氧烷和环氧树脂的液晶弹性体（LCE）及LCE纳米复合材料的制备方法。对这些LCE材料的可逆应变、液晶有序性以及刚度进行了表征。作为潜在应用，我们演示了其在定制的活性细胞培养装置中作为形状响应性基底的使用。

摘要

液晶弹性体（LCEs）是一类具有形状响应特性的材料，能够完全可逆地改变形状，在医学、组织工程、人工肌肉以及软体机器人领域具有潜在应用价值。本文演示了形状响应型液晶弹性体（LCEs）及其纳米复合材料的制备方法，并对其形状响应性、力学性能和微观结构进行了表征。合成了两类LCEs——聚硅氧烷基和环氧基LCEs，并对其进行取向排列与性能分析。聚硅氧烷基LCEs通过两步交联法制备，其中第二步在施加外力的条件下进行，从而获得单取向畴LCEs。聚硅氧烷LCE纳米复合材料通过在LCE本体及表面添加导电炭黑纳米颗粒制备而成。环氧基LCEs通过可逆酯化反应制备，并在升高的温度（160 °C）下施加单轴应力实现取向排列。采用成像技术、二维X射线衍射测量、差示扫描量热法和动态力学分析相结合的方法，对取向后的LCEs及LCE纳米复合材料的可逆应变、机械刚度以及液晶有序性进行表征。LCEs和LCE纳米复合材料可通过热刺激和/或电势刺激，在细胞培养基质中可控地产生应变；我们还利用自行设计的装置，展示了LCEs作为形状响应型基底在细胞培养中的应用。

引言

能够表现出快速、可逆且可编程形状变化的材料在许多新兴应用中备受青睐^1-9。具有形状响应性的支架可辅助伤口愈合与治疗⁷。人工机器人可用于探索或在对人类有害或不安全的环境中执行任务¹⁰。在活性细胞培养中，即细胞在动态环境中培养时，具有形状响应性的弹性体尤为理想^11-14。其他应用还包括包装、传感以及药物递送。

液晶弹性体（LCE）是一类具有液晶有序结构的聚合物网络^15-20。LCE通过将柔性聚合物网络与被称为介晶的液晶分子结合而成。LCE的响应性来源于液晶有序性与聚合物网络应变之间的耦合作用，能够影响介晶有序性的刺激将引发网络应变，反之亦然。为了在无外加载荷的情况下实现大而可逆的形状变化，LCE中的介晶必须沿单一方向排列。在LCE研究中常见的实际挑战之一是制备单畴LCE。另一个挑战是实现对除直接加热以外其他刺激的响应性形状变化，这可以通过向LCE网络中添加纳米颗粒或染料来实现^21-28。

本文演示了单畴液晶弹性体（LCE）及其纳米复合材料的制备方法。首先，我们采用Kupfer等人首次报道的两步法²⁹et al.来制备单畴LCE。该方法至今仍是制备单畴LCE最常用且最广为人知的方法，但在实现样品间均匀取向和一致性方面仍具挑战性。我们展示了一种可使用常规实验室设备轻松实施的方法，并详细说明了样品处理与制备的全过程。接着，我们展示了如何将导电炭黑纳米颗粒添加到LCE中，以制备具有导电性且对电刺激响应的LCE材料。随后，我们演示了基于环氧树脂的LCE的合成与取向排列。这类材料具有可交换的网络键，可通过加热至较高温度并施加均匀载荷实现取向。所有LCE材料均通过宏观样品成像、X射线衍射测量以及动态力学分析进行表征。最后，我们展示了一种LCE作为形状响应性基底在活性细胞培养中的潜在应用。

方案

1. 取向性聚硅氧烷液晶弹性体的合成

1. 在小型小瓶（直径约13 mm，长度约100 mm）中加入166.23 mg反应性介晶（4-甲氧基苯基 4-(3-丁烯氧基)苯甲酸酯）、40 mg聚（甲基氢硅氧烷）和12.8 mg交联剂（1,4-二(10-十一烯氧基)苯）³⁰，再加入0.6 ml无水甲苯，并放入搅拌子。在35 °C下搅拌25分钟，使其完全溶解。
2. 在另一个小瓶中，配制1 wt%的二氯(1,5-环辛二烯)铂(II)催化剂的二氯甲烷溶液。用移液器向步骤1.1的反应液中加入30 µl催化剂溶液，搅拌混合均匀，然后将溶液倒入定制的矩形聚四氟乙烯（PTFE）模具（3 cm × 2 cm × 1 cm）中。用玻璃盖片松散覆盖模具，放入60 °C烘箱中加热30分钟，期间定期轻轻振荡，以在前15分钟内去除气泡。
3. 将模具从烘箱中取出，通过将液氮倒入小容器中，并使PTFE模具底部接触液氮约2秒，进行快速冷却。
   1. 待混合物冷却后，用金属刮刀小心地将弹性体从模具中取出，放置在PTFE片上。使用剃刀片修整液晶弹性体（LCE）边缘，并沿其长度方向切成三个等尺寸的条状样品（长约2.7 cm，宽约0.5 cm）。
4. 将每条样品一端悬挂于水平杆上，在另一端逐个挂上10个回形针（总重4.4 g）。使用胶带固定样品位置，每隔10分钟添加一个回形针。在室温下持续悬挂7天，观察并记录样品长度变化及形变均匀性。若样品发生撕裂或断裂，则予以弃用。实验结束后取下样品，置于常温环境中保存。

2. 电响应性聚硅氧烷液晶弹性体纳米复合材料的制备

1. 为了制备碳黑均匀分散于样品整体中的LCE纳米复合材料，首先重复上述步骤1.1–1.4。将4.38 mg碳黑纳米颗粒加入含有反应性介晶、交联剂和硅氧烷的反应溶液中。加载时使用总共5个回形针，而非10个。
2. 为了在LCE表面添加额外的碳黑纳米颗粒，配制1% w/v的碳黑纳米颗粒甲苯溶液。超声处理20分钟以分散纳米颗粒，然后将分散液倒入培养皿中。将步骤2.1中获得的LCE浸入该纳米颗粒分散液中，持续6小时。
3. 6小时后，使用移液管从培养皿中吸出溶液，使弹性体在空气中干燥。使用胶带或棉签轻轻清除表面多余的碳颗粒。

3. 可逆环氧基液晶弹性体的制备

1. 在一个定制的（3 cm × 2 cm × 1 cm）矩形聚四氟乙烯（PTFE）模具中，混合246.15 mg的4,4'-二缩水甘油醚基联苯³¹、101 mg癸二酸、71.6 mg十六烷二酸和76 mg羧基封端的聚二甲基硅氧烷。将模具置于加热板上，在180 °C条件下加热样品。
   1. 加入11.48 mg的（1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯）催化剂，并使用预热至180 °C的金属镊子搅拌。持续反应约20分钟，直至混合物形成凝胶，并定期搅拌以去除反应过程中产生的气泡。
2. 将PTFE模具从加热板上取下，使其冷却至室温（RT）。使用剃刀片将弹性体从PTFE模具中分离出来。
3. 将两张PTFE片放入聚合物压机中，在180 °C下预热。将步骤3.2中获得的弹性体置于两张PTFE片之间，压制成厚度为0.3 – 0.5 mm的样品。继续在180 °C下加热4小时。
4. 取出样品并冷却至室温。将样品裁切成矩形片（长约2.5 cm，宽约0.5 cm）。使用聚酰亚胺胶带将样品一端悬挂在加热烘箱内。在样品自由端悬挂12个回形针（总重8.88 g）。将加热烘箱温度设定为165 °C，过夜处理，或持续加热12 – 16小时。
5. 从加热烘箱中取出弹性体，记录其长度变化。将样品置于加热板上加热至80 °C以消除残余应力，随后冷却回室温。

4. 液晶弹性体的测试与表征

1. 通过将样品置于加热板上加热至 120 °C 并用相机成像来测量可逆应变。记录室温下的初始样品长度、加热至 120 °C 后的样品长度以及冷却回室温后的长度。液晶弹性体（LCE）应收缩约 30%，并在冷却后恢复至初始长度。参见 图 1A 和 1B 所示的示例图像。
2. 通过差示扫描量热法（DSC）分析相变温度和玻璃化转变温度：从每种 LCE 上切下一小块样品，在 0 °C 至 150 °C 范围内以 10 °C/min 的升/降温速率进行扫描^32,33。
3. 通过 X 射线衍射测量量化液晶取向程度。将样品置于具备二维成像功能的 X 射线衍射仪中³³。参见 图 2 所示的衍射图像示例。
   注意：衍射图像应呈现各向异性，反映 LCE 的取向状态³³。聚硅氧烷类 LCE 为向列相，环氧基 LCE 则表现出近晶相。
4. 使用动态力学分析（DMA）测量 LCE 的刚度及其长度和宽度的变化。记录 LCE 在温度变化下的长度与刚度变化，以及 LCE 纳米复合材料在电势变化下的相应变化。
   1. 进行热-机械测量时，使用剃刀手动将样品切割为 2 cm × 0.3 cm 的尺寸，并小心地夹紧于拉伸夹具之间。施加 1 mN 的力以消除松弛。
      1. 先将样品在 30 °C 下热平衡，随后以 5 °C/min 的速率进行升温和降温循环。将样品从 30 °C 加热至 120 °C。温度变化会引起样品长度和宽度的变化，这些变化在 DMA 测量过程中被记录。参见 图 3A 中 LCE 样品的热机械测量结果。
   2. 进行电-机械测量时，手动将 LCE 纳米复合材料样品切割为 2 cm × 0.3 cm 的尺寸，并使用银环氧树脂在 LCE 纳米复合材料两端分别粘接铜线。用拉伸夹具固定 LCE 纳米复合材料，并施加 1 mN 的张力。
      1. 通过铜线施加 0–60 V 范围内的电势，频率为 60 Hz，通断脉冲持续时间在 0.1 秒至 30 秒之间。
      2. 记录样品对电势刺激的形变响应。施加固定的 1 mN 力以消除松弛。夹具位置的变化对应于样品的形状变化。参见 图 3B 中 LCE 纳米复合材料样品的电机械测量结果。

5. 通过LCE纳米复合材料的电刺激实现活性细胞培养

1. 将LCE纳米复合材料的一个表面用氧气等离子体处理30秒。在经等离子体清洗的表面上，以3,300 rpm的转速旋涂300 µl聚苯乙烯的甲苯溶液（1% w/v），持续1分钟。将弹性体在真空下干燥12小时以去除甲苯，然后用氧气等离子体对LCE纳米复合材料的聚苯乙烯涂层表面再处理30秒。
2. 将LCE纳米复合材料置于70%乙醇溶液中30分钟，以对表面进行消毒。
   1. 用磷酸盐缓冲液洗涤LCE纳米复合材料，并将其转移至干燥的培养皿中，使聚苯乙烯涂层面向上。通过将LCE完全浸入5 ml大鼠尾腱I型胶原溶液（50 µg/ml溶于0.02 N乙酸）中，对整个表面进行包被。将LCE纳米复合材料在37 °C和5% CO₂条件下孵育至少30分钟。
3. 分离新生大鼠心室心肌细胞，并按先前报道的方法¹¹悬浮于高血清铺板培养基中。
   1. 以100,000 - 600,000 个细胞/cm²的密度将细胞接种于上述LCE基底上。约24小时后，将细胞转移至低血清维持培养基（DMEM、18.5% M199、5% HS、1% FBS及抗生素）中。让心肌细胞在LCE表面贴附并增殖4天。
4. 根据制造商的操作说明，使用3D打印机并参照图4所示的示意图设计并制造定制容器。
   注意：该3D打印容器为矩形结构，外部尺寸为60 mm × 40 mm × 20 mm，内部尺寸为50 mm × 30 mm × 15 mm。在两个侧壁上设有两组直径5 mm的孔，用于插入导电碳棒。孔周围及延伸至容器顶部边缘的凹槽可用于放置一块矩形塑料件（尺寸为52.5 mm × 12 mm × 4 mm），横跨容器以固定LCE两端。容器一侧两孔之间的距离为3 mm，凹槽位置如图4所示。该设计旨在与上述LCE基底的尺寸相匹配。导电碳棒通过商业供应商获得，详见材料补充部分。
   1. 将碳棒穿过容器两侧的孔，并使用医用级硅酮粘合剂固定。粘合剂在过夜（O/N）条件下固化。
5. 将带有心肌细胞的LCE纳米复合材料转移至装有细胞培养维持培养基的定制3D打印容器中，容器内平行放置的导电碳棒连接电源。将LCE横跨碳棒放置，并在一端固定以确保良好的电接触。
   1. 将矩形塑料件插入3D容器的凹槽中，以在一端或两端固定LCE位置，但应松散地覆盖在LCE样品上。通过施加40 V交流电压，以5秒开/5秒关的循环模式进行电刺激，总刺激时间为24小时。
6. 按照先前报道的方法¹¹，使用Calcein AM对活细胞膜进行染色。
7. 进行细胞核染色时，在倒置荧光显微镜下成像前，用含DAPI的封片剂覆盖细胞。使用ImageJ软件统计活细胞数量，并利用最佳拟合功能测定细胞排列角度。

6. 使用直接加热法对液晶弹性体进行活细胞培养

1. 使用不含炭黑纳米颗粒的纯LCE重复上述步骤5.1–5.3。该程序在先前的出版物中也有详细描述。¹¹
2. 将带有心肌细胞的LCE转移至含有细胞培养维持培养基和一片0.5" × 2" 聚酰亚胺电阻加热器的培养皿中。通过开启功率为12 W的电阻加热器对LCE加热。以5秒为间隔周期性开启和关闭加热，持续至少24小时。

结果

单畴液晶弹性体（LCE）由于网络构象与液晶取向之间的耦合作用，具有形状响应性。加热LCE会导致液晶有序参数降低，从而引起聚合物网络沿主取向方向收缩。这一现象可通过将LCE置于加热板上直观观察，如图1A和1B所示。从室温开始升温时，LCE沿样品长度方向发生收缩，当温度超过各向同性转变温度时，收缩程度达到最大。同时，样品在各向同性转变温度以上会变得光学透明，而在低于该温度时，即使取向完全规整的LCE也会呈现一定程度的浑浊。LCE纳米复合材料在加热时同样会发生形状变化，如图1C和1D所示。LCE纳米复合材料既可通过加热板加热（未示出），也可通过在样品两端施加电势进行加热。当电压接通时，样品即发生收缩。若观察到的形状变化很小或没有变化，则很可能反映了液晶取向方向排列不良，此时应重复LCE的合成过程。作为验证手段，可使用偏光光学显微镜检测纯LCE样品的双折射特性。取向良好的样品在相对于正交偏振器呈45度方向时应表现出最大双折射，而在与检偏器或起偏器...

讨论

为了制备单畴液晶弹性体（LCE），需要在交联过程中对LCE进行单轴加载。这在实际操作中具有挑战性，因为LCE在仅部分交联时就需要加载，此时材料机械强度不足，容易断裂或撕裂。上述方法（步骤1.1 - 1.4）能够稳定地制备单畴LCE。其中一个关键步骤是在适当的时间将LCE从聚四氟乙烯（PTFE）模具中取出以进行加载。若取出过快，LCE极易断裂或撕裂；反之，若加载前等待时间过长，则会导致最终LCE的取向效果不佳。另一个重要步骤是对LCE的加载过程。加载过重的重量或加载速度过快均可能导致样品断裂或脱落。尽管本方案提供了用于取向LCE的具体负载量，但对于更大或更厚的LCE样品，负载量可作相应调整。该方法的一个重要局限性在于难以实现取向LCE的连续化大规模生产。目前每个LCE基材均需通过悬挂和加载的方式单独取向。

通过分两个独立步骤引入导电炭黑纳米颗粒来制备LCE纳米复合材料。这对于获得具有导电性且在连续电刺激数天后仍能保持稳定电机械响应的材料至关重要。²¹ 此前的研究仅探索了炭黑纳米颗粒的表面渗透方法，但所得LCE纳米复合材料的电机械响应迅速退化。LCE纳米复合材...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
4-甲氧基苯基 4-(3-丁烯氧基)苯甲酸酯	TCI America	M2106	反应性介晶
聚甲基氢硅氧烷	Gelest	HMS-993	反应性聚硅氧烷
1,4-二(10-十一烯氧基苯)	N/A	N/A	参见：Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. 双异噁唑啉：一类新的酸性介质中碳钢腐蚀抑制剂。Corrosion Science. 50 (11), 3070–3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)
二氯(1,5-环辛二烯)铂(II)	Sigma Aldrich	244937	Pt 催化剂
聚四氟乙烯模具	N/A	N/A	在莱斯大学机械车间制备
炭黑纳米颗粒	Cabot	VULCAN® XC72R	用于液晶弹性体纳米复合材料的合成
聚苯乙烯	Sigma Aldrich	331651	线性聚苯乙烯
4,4'-二缩水甘油醚基联苯	N/A	N/A	参见： Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. 液晶环氧热固性材料。Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology. Section A. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 266 (1), 9–22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995)。
癸二酸	Sigma Aldrich	283258	环氧型液晶弹性体合成中的C8连接基团
十六烷二酸	Sigma Aldrich	177504	环氧型液晶弹性体合成中的C16连接基团
羧基癸基封端聚二甲基硅氧烷	Gelest	DMS-B12	环氧型液晶弹性体合成中的硅氧烷连接基团
1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯	Sigma Aldrich	345571	可逆液晶弹性体的催化剂
碳棒	Ladd Research	30250	用于细胞培养实验
医用级硅胶粘合剂	Silbione	MED ADH 4100 RTV	用于将碳棒粘附至容器