Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung ausgerichteter, formempfindlicher Flüssigkristallelastomere und Nanokomposite. Flüssigkristallelastomere sind also auf Reize reagierende Materialien, die als Reaktion auf Reize in der Umgebung ihre Form ändern. Und sie können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. im Tissue Engineering, wo wir wissen, dass Zellen auf Stress und Belastungen in der Umwelt reagieren.

In diesem Verfahren, das wir demonstrieren werden, verlassen wir uns auf Materialien, die kostengünstig sind. Die von uns demonstrierte Methode ist zuverlässig und kann in jedem Labor implementiert werden, ohne dass teure oder spezielle Geräte erforderlich sind. Diese Materialien können bei der Entwicklung von kardialen Zellblättern eingesetzt werden, wo wir wissen, dass Belastungen und Dehnungen die Differenzierung, die Reifung und die Funktion von Herzmuskelzellen beeinflussen können.

visuelle Demonstration dieses Verfahrens ist wichtig, da der Prozess schwer zu erlernen sein kann und die Proben besonders empfindlich sind, wenn wir sie aufhängen, laden und vernetzen. Hojin Kim, Bohan Zhu und Huiying Chen, Studenten aus unserem Labor und dem Jeff Jaycot Labor, werden das Verfahren vorführen. Beginnen Sie mit der Kombination von 166,23 Milligramm eines reaktiven Mesogens, 40 Milligramm Siloxan und 12,8 Milligramm Vernetzer mit 0,6 Millilitern wasserfreiem Toluol in einem kleinen Fläschchen, das mit einem Rührstab gefüllt ist.

Rühren Sie die Lösung 25 Minuten lang bei 35 Grad Celsius um, bis sich die Reagenzien vollständig aufgelöst haben. Bereiten Sie in einer separaten Durchstechflasche eine Lösung von einem Gewichtsprozent eines Platinkatalysators in Dichlormethan vor. Geben Sie dann 30 Mikroliter der Katalysatorlösung zu der zuvor vorbereiteten Lösung und rühren Sie die Mischung mit dem Rührstab um.

Gießen Sie anschließend die Lösung in eine speziell angefertigte, rechteckige Form aus Polytetrafluorethylen. Decken Sie die Form locker mit einem Glasschieber ab und stellen Sie sie für 30 Minuten bei 60 Grad Celsius in den Ofen. Schütteln Sie die Form in den ersten 15 Minuten regelmäßig, um Blasen zu entfernen.

Nehmen Sie die Form aus dem Ofen und kühlen Sie sie schnell mit flüssigem Stickstoff ab, indem Sie flüssigen Stickstoff in einen kleinen Behälter gießen und den Boden der PTFE-Form 2 Sekunden lang mit dem flüssigen Stickstoff in Kontakt bringen. Sobald die Mischung abgekühlt ist, legen Sie eine PTFE-Folie ab und verwenden Sie einen Metallspatel, um das Elastomer vorsichtig aus der Form zu entfernen und auf die Platte zu legen. Als nächstes schneidest du mit einer Rasierklinge die Kanten des Flüssigkristall-Elastomers ab und schneidest es entlang seiner Länge in drei gleich große Stücke.

Hängen Sie jedes Stück an eine horizontale Stange und halten Sie das Elastomer mit Klebeband fest. Fügen Sie jeweils eine Büroklammer in 10-Minuten-Schritten am Ende der Elastomere an. Lassen Sie sie sieben Tage lang bei Raumtemperatur hängen und notieren Sie Veränderungen in der Länge oder Gleichmäßigkeit.

Entsorgen Sie alle Proben, die reißen oder brechen. Um ein elektrisch ansprechendes Flüssigkristallelastomer-Nanokomposit herzustellen, fügen Sie der Reaktionslösung, die das reaktive Mesogen, den Vernetzer und Siloxan enthält, 4,38 Milligramm Ruß-Nanopartikel hinzu. Verwenden Sie während des Aufhängens der Herstellung insgesamt fünf Büroklammern anstelle von 10, um die Probe zu laden.

Fügen Sie der Oberfläche des Flüssigkristallelastomers zusätzliche Ruß-Nanopartikel hinzu. Bereiten Sie eine Lösung von Ruß-Nanopartikeln mit 1 Gew.-% in Toluol vor. Beschallen Sie die Lösung 20 Minuten lang, um Kohlenstoffnanopartikel zu dispergieren, und gießen Sie die Dispersion dann in eine Petrischale.

Tauchen Sie dann die Flüssigkristallelastomere sechs Stunden lang in die Nanopartikel-Dispersion ein. Sobald Sie die Lösung aus der Lösung genommen haben, ziehen Sie mit der Pipette überschüssige Lösung aus der Petrischale und lassen Sie das Elastomer an der Luft trocknen. Reinigen Sie überschüssige Kohlenstoffpartikel auf der Oberfläche vorsichtig mit Klebeband oder einem Wattestäbchen.

Zur Herstellung von reversiblen Flüssigkristallelastomeren auf Epoxidbasis mischen Sie 246,15 Milligramm von vier Diglycidyldiloxybiphenylen, 101 Milligramm Sebacinsäure, 71,6 Milligramm Hexadecandisäure und 76 Milligramm Carboxydecyl-terminiertes PDMS in der rechteckigen PTFE-Form. Erhitzen Sie die Proben, indem Sie sie auf eine Herdplatte bei 180 Grad Celsius legen. Fügen Sie dann 11,48 Milligramm Katalysator hinzu und rühren Sie die Mischung mit einer auf 180 Grad Celsius vorgeheizten Metallzange um.

Rühren Sie die Mischung weiterhin regelmäßig um, um die durch die Reaktion erzeugten Blasen zu entfernen. Setzen Sie die Reaktion der Mischung ca. 20 Minuten lang fort. Sobald es geliert ist, nehmen Sie das PTFE-Schiffchen von der Kochplatte und lassen Sie die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen.

Trennen Sie dann mit einer Rasierklinge das Elastomer von der PTFE-Form. Legen Sie anschließend zwei PTFE-Platten bei 180 Grad Celsius in eine Polymerpresse. Legen Sie das Elastomer zwischen die PTFE-Platten und komprimieren Sie die Probe auf eine Dicke von 0,3 bis 0,5 Millimetern.

Erhitzen Sie das Elastomer vier Stunden lang bei 180 Grad Celsius. Nach vier Stunden die Probe entnehmen und auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Schneiden Sie dann die Probe in rechteckige Stücke mit einer Länge von 2,5 Zentimetern und einer Breite von 0,5 Zentimetern.

Hängen Sie die Probe an einem Ende mit Polyimidband in einen Heizofen. Befestigen Sie 12 Büroklammern mit einem Gesamtgewicht von 8,88 Gramm am freien Ende der Probe. Stellen Sie dann die Temperatur des Ofens auf 165 Grad Celsius ein und erhitzen Sie die Proben über Nacht.

Entfernen Sie das Elastomer aus dem Ofen und notieren Sie die Längenänderung. Erhitzen Sie die Probe anschließend auf einer Heizplatte auf 80 Grad Celsius, um Restspannungen zu entfernen, und kühlen Sie sie dann wieder auf Raumtemperatur ab. Messen Sie die reversible Dehnung, indem Sie die Proben auf eine Heizplatte legen und die Platte wieder auf 120 Grad Celsius erhitzen.

Stellen Sie die Probe bei Raumtemperatur ab, nachdem sie auf 120 Grad Celsius erhitzt und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Verwenden Sie die Bilder, um die Probenlänge bei jedem Schritt zu messen. Für thermomechanische Messungen schneiden Sie die Proben mit einer Rasierklinge manuell auf eine Größe von zwei Zentimetern x 0,3 Zentimetern zu und befestigen Sie sie vorsichtig nacheinander zwischen den Spannklemmen.

Üben Sie eine Kraft von einem Millinewton auf die Probe aus, um zunächst ein etwaiges Durchhang zu entfernen. Anschließend werden die Proben bei 30 Grad Celsius thermisch äquilibriert, gefolgt von Heiz- und Kühlzyklen. Erhitzen Sie die Probe auf fünf Grad Celsius pro Minute von 30 Grad Celsius auf bis zu 120 Grad Celsius.

Notieren Sie die Änderungen der Länge und Breite der Probe während der Temperaturänderung. Eine Oberfläche von Flüssigkristallelastomer-Nanokompositen wird 30 Sekunden lang unter Sauerstoffplasma behandelt. Dann werden 300 Mikroliter einer Lösung von Polystyrol mit 1 Gew.-% pro Volumen in Toluol bei 3.300 U/min für eine Minute auf die plasmagereinigte Oberfläche geschleudert.

Trocknen Sie das Elastomer 12 Stunden lang unter Vakuum, um Toluol zu entfernen. Und dann behandeln Sie die mit Polystyrol beschichtete Oberfläche des LCE-Nanokomposits 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma. Sterilisieren Sie die plasmabehandelten Elastomer-Nanokomposite 30 Minuten lang in 70%igem Ethanol.

Und waschen Sie sie dann mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung. Übertragen Sie die gewaschenen Elastomer-Nanokomposite mit einer polystyrolbeschichteten Seite nach oben in eine trockene Petrischale. Geben Sie anschließend fünf Milliliter Kollagenlösung vom Typ 1 in eine Schale und beschichten Sie die gesamte Oberfläche der Proben, indem Sie sie in die Kollagenlösung eintauchen.

Decken Sie dann die Proben ab und inkubieren Sie sie mindestens 30 Minuten lang bei 37 Grad Celsius und 5 % Kohlendioxid. Die Platte isolierte ventrikuläre Kardiomyozyten von Neugeborenen bei Ratten auf den Substraten mit einer Dichte von 100.000 bis 600.000 Zellen pro Quadratzentimeter. Kultivieren Sie die Zellen wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben.

Sobald sich die Zellen fest verbunden haben, übertragen Sie die ausgesäten Flüssigkristallelastomer-Nanokomposite auf ein maßgeschneidertes, 3D-gedrucktes Gefäß. Führen Sie als Nächstes ein rechteckiges Kunststoffstück durch die Kerben im 3D-Gefäß, um das Flüssigkristallelastomer an einem oder beiden Enden an Ort und Stelle zu halten. Legen Sie die Probe über die Kohlenstoffstäbe und befestigen Sie sie an einem Ende, um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten.

Stellen Sie sicher, dass das Gefäß mit Zellkulturerhaltungsmedien gefüllt und mit parallelen leitfähigen Kohlenstoffstäben ausgestattet ist, die an eine elektrische Quelle angeschlossen sind. Stimulieren Sie Flüssigkristallelastomere elektrisch mit einem elektrischen Potential von 40 Volt, das eine Einschaltzeit von fünf Sekunden für insgesamt 24 Stunden hat. Flüssigkristallelastomere ziehen sich zusammen und dehnen sich reversibel, wenn sie von Raumtemperatur auf über die nematische zu isotrope Sprungtemperatur von etwa 80 Grad Celsius erhitzt werden.

Die dynamisch-mechanische Analyse bietet ein quantitatives Maß für die Formänderung des Flüssigkristallelastomers in Abhängigkeit von der Temperatur. Die in der hier gezeigten Grafik beschriebene Probe wurde in vier Zyklen erhitzt und abgekühlt. Nach dem Erhitzen zeigen die Proben eine Verkürzung von etwa 35 % in der Richtung, in der sie während der Herstellung aufgehängt wurden.

Die Probe dehnt sich außerdem um 25 bis 30 % in senkrechter Richtung aus. Flüssigkristall-Elastomer-Nanokomposite kontrahieren bei der Anlegen eines elektrischen Potentials. Wenn sie 40 Volt Wechselstrom ausgesetzt werden, verkürzen sich die Flüssigkristallelastomer-Nanokomposite um etwa 22 1/2 % in der Richtung, in der sie während der Herstellung aufgehängt wurden.

Hier wurden die Proben alle 15 Sekunden einem Ein-Aus-Zyklus ausgesetzt. Sobald das Verfahren gemeistert ist, kann es in zwei Stunden abgeschlossen werden und die gesamte Synthese ist eine Woche nach dem Aufhängen der Probe abgeschlossen. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, dass Sie daran denken, den LC mit dem richtigen Gewicht aufzuhängen.

Andernfalls kann es sein, dass Sie die Probe nicht richtig ausrichten oder während der Herstellung brechen. Nach diesem Verfahren können Sie andere Arten von Additiven zu LCE hinzufügen, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren, um zu verstehen, welche Reizreaktion es haben kann. Wir hoffen, dass diese Forschung Biologen und Bioingenieuren den Weg ebnen wird, reaktionsfähige Substrate zu formen, um die Auswirkungen von Stress und Belastung auf das Zellwachstum, die Zellausrichtung und das Zellverhalten zu untersuchen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ausgerichtete, formempfindliche Flüssigkristallelastomere und Flüssigkristallelastomer-Nanokomposite herstellt.