单畴液晶弹性体及液晶弹性体纳米复合材料的制备

本实验的总体目标是制备具有取向结构、形状响应性的液晶弹性体及其纳米复合材料。液晶弹性体是一类对外界刺激具有响应性的材料，能够根据环境中的刺激发生形状变化。这类材料可应用于多种领域，例如组织工程，因为在组织工程中，细胞会响应环境中的应力和应变。

在本实验流程中，我们将使用低成本的材料。所展示的方法具有可靠性，可在任何实验室实施，无需昂贵或专用设备。这些材料可用于心肌细胞片的开发，在此过程中，已知应力和应变会影响心肌细胞的分化、成熟及其功能。

该操作步骤的可视化演示非常重要，因为该过程学习起来较为困难，且在悬挂、加载和交联过程中样品尤为脆弱。因此，本次演示将由本实验室及Jeff Jaycot实验室的学生Hojin Kim、Bohan Zhu和Huiying Chen进行。首先，在一个装有搅拌子的小瓶中，加入166.23毫克活性介晶、40毫克硅氧烷和12.8毫克交联剂，并与0.6毫升无水甲苯混合。

将溶液在 35 摄氏度下搅拌 25 分钟，使试剂完全溶解。在另一个小瓶中，配制浓度为 1 重量百分比的铂催化剂二氯甲烷溶液。然后，向先前配制的溶液中加入 30 微升催化剂溶液，并用搅拌子搅拌混合物。

接下来，将溶液倒入一个定制的矩形聚四氟乙烯模具中。用玻璃盖片 loosely 覆盖模具，并将其置于 60 摄氏度的烘箱中加热 30 分钟。在前 15 分钟内定期摇动模具，以去除气泡。

将模具从烤箱中取出，通过将液氮倒入一个小容器中，并将聚四氟乙烯（PTFE）模具底部与液氮接触2秒，快速冷却模具。待混合物冷却后，铺上一张PTFE膜，用金属刮刀小心地将弹性体从模具中取出，并放置在膜上。接着，使用剃刀刀片修整液晶弹性体的边缘，并沿其长度方向切成三个大小相等的片状。

将每块样品悬挂于水平杆上，并用胶带固定弹性体。每隔10分钟，在弹性体末端逐个添加一个回形针。在室温下悬挂七天，观察其长度或均匀性是否发生变化。

丢弃任何发生撕裂或断裂的样品。为制备具有电响应性的液晶弹性体纳米复合材料，将 4.38 毫克炭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。在制备过程的悬挂步骤中，使用总共 5 个回形针而非 10 个来加载样品。

向液晶弹性体表面添加额外的炭黑纳米颗粒。配制浓度为1%（重量/体积）的炭黑纳米颗粒甲苯溶液。将溶液超声处理20分钟以分散炭黑纳米颗粒，然后将分散液倒入培养皿中。

然后将液晶弹性体浸入纳米粒子分散液中六小时。从溶液中取出后，用移液管吸去培养皿中多余的溶液，使弹性体在空气中自然干燥。使用胶带或棉签轻轻清除表面多余的碳颗粒。

制备可逆环氧基液晶弹性体时，将246.15毫克4,4'二缩水甘油基二氧联苯、101毫克癸二酸、71.6毫克十六烷二酸和76毫克羧基封端聚二甲基硅氧烷加入矩形聚四氟乙烯模具中混合。将样品置于180摄氏度的加热板上加热。然后加入11.48毫克催化剂，并使用预热至180摄氏度的金属镊子搅拌混合物。

定期搅拌混合物，以去除反应产生的气泡。继续反应约 20 分钟。凝胶化后，将聚四氟乙烯（PTFE）容器从加热板上取下，让混合物冷却至室温。

然后，使用剃刀刀片将弹性体从聚四氟乙烯（PTFE）模具上分离。接着，将两片聚四氟乙烯（PTFE）片材置于聚合物压机中，加热至180摄氏度。将弹性体置于两片PTFE片材之间，并将样品压缩至厚度为0.3至0.5毫米。

将弹性体在 180 摄氏度下继续加热四小时。四小时后，取出样品并冷却至室温。然后将样品切成矩形片状，长度为 2.5 厘米，宽度为 0.5 厘米。

使用聚酰亚胺胶带将样品一端悬挂在加热烘箱内。在样品的自由端悬挂12个回形针，总重量为8.88克。然后将烘箱温度设定为165摄氏度，过夜加热样品。

将弹性体从烘箱中取出，并记录其长度变化。接着，将样品置于加热板上，加热至80摄氏度以消除残余应力，然后冷却至室温。通过将样品放置在加热板上并再次加热至120摄氏度，测量其可逆应变。

将样品加热至120摄氏度后，在室温下成像，冷却回室温后再次成像。利用图像测量每一步骤中样品的长度。进行热机械测量时，使用剃刀手动将样品切割成2厘米×0.3厘米的尺寸，并依次小心地将其固定在拉伸夹具之间。

对样品施加1毫牛顿的力，以首先消除任何松弛。然后将样品在30摄氏度下进行热平衡，随后进行加热和冷却循环。以每分钟5摄氏度的速率将样品从30摄氏度加热至120摄氏度。

记录样品在温度变化过程中长度和宽度的变化。将液晶弹性体纳米复合材料的一个表面用氧气等离子体处理30秒。然后，在经等离子体清洗的表面上，以3,300 rpm的转速旋涂300微升浓度为1%（重量/体积）的聚苯乙烯甲苯溶液，持续1分钟。

将弹性体在真空条件下干燥 12 小时，以去除甲苯。然后使用氧气等离子体处理 LCE 纳米复合材料的聚苯乙烯涂层表面，处理时间为 30 秒。将经等离子体处理的弹性体纳米复合材料在 70% 乙醇中灭菌 30 分钟。

然后用磷酸盐缓冲液洗涤。将洗涤后的弹性体纳米复合材料转移至干燥的培养皿中，确保聚苯乙烯涂层一侧朝上。接着，向培养皿中加入5 mL I型胶原蛋白溶液，通过将样品完全浸入胶原蛋白溶液中，使其表面完全覆盖。

然后，盖好样品，并在37摄氏度和5%二氧化碳条件下孵育至少30分钟。将分离的新生大鼠心室心肌细胞以每平方厘米100,000至600,000个细胞的密度接种到基质表面。按照随附的文字版实验方案所述条件培养细胞。

待细胞牢固贴壁后，将接种了液晶弹性体纳米复合材料的样品转移至定制的3D打印容器中。接着，将一块矩形塑料片插入3D容器的凹槽中，以固定液晶弹性体的一端或两端。将样品横跨置于碳棒上，并在一端固定，以确保良好的电接触。

确保容器中装有细胞培养维持培养基，并配备与电源相连的平行导电碳棒。使用40伏交流电电势对液晶弹性体进行电刺激，每次通电5秒，断电5秒，持续总时长为24小时。当温度从室温升高至向列相到各向同性相转变温度（约80摄氏度）以上时，液晶弹性体会发生可逆的收缩和伸长。

动态力学分析可定量测量液晶弹性体随温度变化的形变。此处图表所描述的样品经历了四次加热和冷却循环。加热后，样品在其制备时悬挂方向上的长度缩短约35%。

样品在垂直方向上也扩张了25%至30%。液晶弹性体纳米复合材料在施加电势时会发生收缩。当暴露于40伏交流电时，液晶弹性体纳米复合材料在其制备过程中悬挂方向上的长度缩短约22.5%。

在此过程中，样品每15秒经历一次开启和关闭的循环。因此，一旦掌握了该操作流程，整个过程可在两小时内完成，且样品悬挂后一周即可完成全部合成。在进行此操作时，务必记住使用正确重量的重物悬挂液晶样品。

否则，您可能无法正确对齐样品，或在制备过程中将其损坏。通过遵循此流程，您可向液晶弹性体（LCE）中添加其他类型的添加剂（如碳纳米管），以研究其可能具有的刺激响应特性。我们希望本研究能够为生物学家和生物工程师提供一条途径，用于构建响应性基底，以探究应力和应变对细胞生长、细胞取向及细胞行为的影响。

通过观看本视频，您应能充分理解如何制备取向排列、形状响应性的液晶弹性体及液晶弹性体纳米复合材料。