Name: Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 21 s
Description: Lernen Sie die Herstellung von flüssigkristallinen Elastomeren und Nanokompositen für Gewebeengineering. Diese Methode ermöglicht die Entwicklung reaktiver Substrate zur Untersuchung von Zellverhalten.

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Diese Arbeit wurde von der National Career Foundation (CBET-1.336.073 an RV) unterstützt, der ACS-Petroleum Research Fund (52345-DN17 bis RV), der American Heart Association (BGIA zu JGJ), der National Science Foundation (KARRIERE CBET-1.055.942 an JGJ), der National Institutes of Health / National Heart, Lung and Blood Institute (1R21HL110330 zu JGJ), Louis und Pfirsiche Owen und Texas-Kinderklinik.

1. Synthese von Aligned Polysiloxan LCEs <ol><li> Kombinieren 166.23 mg von reaktiven Mesogen (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) benzoat), 40 mg Poly (Hydrogenmethylsiloxan-) und 12,8 mg an Vernetzer (1,4-Di (10-undecenyloxybenzene) 30 mit 0,6 ml wasserfreiem Toluol in einem kleinen Fläschchen (ca. 13 mm Durchmesser und 100 mm Länge) mit einem Rührstab beschickt. Man rührt die Lösung bei 35 ° C für 25 min zu lösen. </li><li> In einem separaten Fläschchen, bereiten eine Lösung von 1 Gew% Dichlor (1,5-cyclooctadien) platin (II) Katalysator in Dichlormethan. In 30 ul Katalysatorlösung auf die Reagenzien aus Schritt 1.1 über eine Pipette, rühren, um zu mischen, und gießen Sie die Lösung in einem maßgeschneiderten (3 cm x 2 cm x 1 cm) rechteckigen Polytetrafluorethylen (PTFE) Form. Decken Sie die Form lose mit einem Glasobjektträger und in Wärmeofen bei 60 ° C für 30 min unter Schütteln regelmäßig Blasen während der ersten 15 Minuten zu entfernen. </li><li> Entfernen Form von Wärmeofen und cool mit flüssigem Stickstoff durch flüssigen Stickstoff in einen kleinen Behälter gießt und den Boden des PTFE-Form mit dem flüssigen Stickstoff für 2 Sekunden kontaktiert. <ol><li> Sobald die Mischung abgekühlt ist, entfernen Sie vorsichtig Elastomer aus der Form einer Metallspachtel und auf einer PTFE-Folie platzieren. Schneiden Sie die Kanten des LCE mit einer Rasierklinge und schnitt den LCE entlang seiner Länge in drei gleich große Stücke (ca.. 2,7 cm Länge und 0,5 cm Breite). </li></ol></li><li> Hängen jedes Stück mit einem Ende an einer horizontalen Stange und befestigen Büroklammern 10 (4,4 g) mit dem anderen Ende des LCE. Halten Sie die LCE an Ort und Stelle mit Klebeband und fügen Büroklammern ein zu einer Zeit in 10 Minuten-Schritten. Hängen Sie das LCE für 7 Tage bei Raumtemperatur und stellt fest, Änderungen in der Länge und Einheitlichkeit. Verwerfen Probe, die reißt oder bricht. Entfernen Proben und lagern bei Umgebungs. </li></ol> 2. Herstellung von elektrisch ansprechende Polysiloxan LCE Nanokomposite <ol><li> Um LCE Nanokomposite mit Ruß Vorbereitung durch die ZerstreutenMasse der Probe, erste wiederholen Sie die Schritte 1,1-1,4 oben. Hinzufügen 4,38 mg Ruß Nanopartikel zu der Reaktionslösung, die reaktive Mesogen, Vernetzer und Siloxan. Verwenden Sie insgesamt 5 Büroklammern statt 10 zum Laden. </li><li> Um zusätzliche Ruß Nanopartikel an die Oberfläche LCE hinzuzufügen, bereiten 1% w / v Lösung von Ruß Nanopartikel in Toluol. Ultraschallbehandlung für 20 min Nanopartikel zu dispergieren und dann die Dispersion in eine Petrischale gießen. Tauchen Sie die LCEs aus Schritt 2.1 in der Nanopartikeldispersion für 6 Stunden. </li><li> Nach 6 Stunden, verwenden Sie eine Pipette die Lösung aus der Petrischale zu entziehen und damit das Elastomer an der Luft trocknen. reinigen sanft überschüssige Kohlenstoffpartikel auf der Oberfläche mit Klebeband oder einem Wattestäbchen. </li></ol> 3. Herstellung von Wende Epoxy-basierte LCEs <ol><li> Mix 246,15 mg 4,4&#39;-diglycidyloxybiphenyl 31, 101 mg Sebacinsäure, 71,6 mg Hexadecandisäure, und 76 mg carboxydecyl-terminierten PolydiMethylsiloxan in einem maßgeschneiderten (3 cm x 2 cm x 1 cm) rechteckigen PTFE-Form. Erhitzen Sie die Proben durch auf einer Heizplatte bei 180 ° C stellen. <ol><li> In 11,48 mg (1,5,7-Triazabicyclo [4.4.0] dec-5-en) Katalysator und rühren Sie mit Hilfe von Metallpinzetten vorgewärmt auf 180 ° C. Nachreagieren, bis das Gemisch ein Gel bildet, nach ca. 20 min, und unter Rühren periodisch Blasen durch die Reaktion erzeugte zu entfernen. </li></ol></li><li> Entfernen Sie die PTFE-Boot von der Kochplatte und ermöglichen auf RT abkühlen. Verwenden einer Rasierklinge das Elastomer aus der PTFE-Form zu trennen. </li><li> Zeigen zwei PTFE-Folien in einem Polymer-Presse bei 180 ° C. Platzieren des Elastomers aus Schritt 3.2 zwischen den PTFE-Folien und komprimiert die Probe auf eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm. Weiter Erhitzen bei 180 ° C für 4 Stunden. </li><li> Entfernen Sie die Probe und auf RT abkühlen. Schneiden Sie die Probe in rechteckige Stücke (etwa 2,5 cm Länge und 0,5 cm Breite). Hängen Sie die Probe an einem Ende mit Polyimid-Band in einem Heizofen. Bringen Sie 12 paperclips (8,88 g) mit dem freien Ende der Probe. Eingestellt, die Temperatur des Heizofens auf 165 ° CO / N, oder für 12 bis 16 Stunden. </li><li> Entfernen Sie das Elastomer aus der Heizofen und beachten Sie die Änderung in der Länge. Die Probe wird auf 80 ° C auf einer Heizplatte Restspannung zu entfernen, dann auf RT abkühlen zurück. </li></ol> 4. Prüfung und Charakterisierung von LCEs <ol><li> Messen reversible Dehnung durch Erhitzen der Proben auf einer Heizplatte auf 120 ° C und Abbildung mit einer Kamera. Man beachte die anfängliche Probenlänge bei RT, die Probenlänge nach dem Erhitzen auf 120 ° C, und der Länge nach Abkühlen auf RT zurück. LCEs sollte beim Abkühlen um ca. 30% und kehren in ihre ursprüngliche Länge zusammenzuziehen. Siehe beispielsweise Bilder in 1A und 1B gezeigt. </li><li> Analysieren Phasenübergangstemperatur und Glasübergangs durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) durch ein kleines Stück von jedem LCE und Scannen von 0 ° C bis 150 ° C bei einer Erwärmungs / co SchneidOling Geschwindigkeit von 10 ° C / min 32,33. </li><li> Quantifizierung des Grades der Flüssigkristallausrichtung durch Röntgenbeugungsmessungen. Platz Proben in einem Röntgendiffraktometer mit 2D-Imaging-Funktionen. 33 Siehe beispielsweise Beugungsbilder in Abbildung 2 gezeigt. Hinweis: Das Beugungsbild anisotrop sein sollte, was die Ausrichtung des LCE 33. Polysiloxan LCEs sind nematische und Epoxid-Basis LCEs eine smektische Phase aufweisen. </li><li> Messen Steifigkeit des LCE und Veränderung in Länge und Breite dynamisch-mechanische Analyse unter Verwendung von (DMA). Aufzeichnungslänge und Steifigkeit sich in Abhängigkeit der Temperatur für LCEs und als Funktion der elektrischen Spannung für den LCE Nanokompositen. <ol><li> Für thermomechanische Messungen, eine Rasierklinge verwenden, um manuell geschnitten Proben auf Abmessungen von 2 cm x 0,3 cm und sorgfältig befestigen zwischen Spannklemmen. Tragen Sie eine Kraft von 1 mN sie zu spannen. <ol><li> Thermisch Gleichgewicht Proben bei 30 ° C Follogeführt durch Heiz- und Kühlzyklen bei 5 ° C / min. Wärme Probe von 30 ° C bis 120 ° C. Temperaturänderungen erzeugen Veränderungen in der Länge und Breite der Probe, die während der DMA-Messung aufgezeichnet werden. Siehe 3A für thermomechanische Messungen eines LCE Probe. </li></ol></li><li> Für elektromechanische Messungen manuell geschnitten LCE Nanokomposit Proben Abmessungen von 2 cm x 0,3 cm und einen Kupferdraht an den entgegengesetzten Enden der LCE Nanokomposite Klebe ein Silberepoxid verwenden. Befestigen Sie das LCE Nanokomposit-Spannklemmen mit 1 mN Spannung verwenden. <ol><li> Anwenden eines elektrischen Potentials durch die Kupferdrähte bei einer Spannung im Bereich von 0 - 60 V, einer Frequenz von 60 Hz und einem Ein / Aus-Impulsdauer von 0,1 sec - 30 sec. </li><li> Nehmen Formänderungen in Reaktion auf das elektrische Potential. Tragen Sie eine feste Kraft von 1 mN zu spannen. Die Veränderung der Position der Klammern entspricht Veränderungen in der Probe zu bestimmen. siehe FiguWieder 3B für elektromechanische Messungen eines LCE Nanokomposit-Probe. </li></ol></li></ol></li></ol> 5. Aktive Zellkultur durch Elektrostimulation des LCE Nanokomposite <ol><li> Behandeln einer Oberfläche des LCE Nanokomposite unter Sauerstoffplasma für 30 Sekunden. Schleuderguss 300 ul einer Lösung von Polystyrol in Toluol (1% w / v) bei 3.300 rpm für 1 min auf der Oberseite des Plasma gereinigten Oberfläche. Trocknen des Elastomers unter Vakuum für 12 Stunden zur Entfernung von Toluol und behandelt den Polystyrol-beschichtete Oberfläche des LCE Nanokomposit mit Sauerstoffplasma für 30 sec. </li><li> Platzieren LCE Nanokomposite in 70% Ethanollösung für 30 min, um die Oberfläche zu sterilisieren. <ol><li> Waschen Sie die LCE Nanokomposit mit phosphatgepufferter Salzlösung und übertragen die LCE zu einem trockenen Petrischale mit der Polystyrol-beschichteten Seite nach oben zeigt. Beschichten der gesamten Oberfläche des LCE durch in 5 ml eines Rattenschwanzkollagen Typ-I-Lösung (50 ug / ml in 0,02 N Essigsäure) eingetaucht wird. Inkubation des LCE nanocomposite bei 37 ° C und 5% CO 2 für mindestens 30 min. </li></ol></li><li> Isolieren von neugeborenen Ratten Kardiomyozyten und suspendieren in High-Serum Plattenmedien wie zuvor 11 ausgewiesen. <ol><li> 600.000 Zellen / cm 2 - Plate Zellen auf der LCE Substrate in einer Dichte von 100.000 wie oben beschrieben. Etwa 24 Stunden später, übertragen die Zellen zu niedrigen Serum-Erhaltungsmedium (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% FBS und Antibiotika). Zulassen Kardiomyozyten zu befestigen und auf der Oberfläche des LCE für 4 Tage vermehren. </li></ol></li><li> Design und Herstellung eines benutzerdefinierten Gefäß eine 3-D-Drucker verwenden und mit dem Schema des Schiffes in 4 gezeigt Protokoll des Herstellers verwendet wird. Hinweis: Die 3D Behälter gedruckt ist ein rechteckiger Behälter mit Außenabmessungen von 60 mm x 40 mm x 20 mm und Innenabmessungen von 50 mm x 30 mm x 15 mm. An zwei Seitenflächen, gibt es zwei Sätze von 5 mm Löcher zum Einsetzen leitfähigen Kohlenstoffstangen verwendet. Kerbees um die Löcher herum und bis zu dem oberen Rand des Behälters erlauben, um eine rechteckige Kunststoffteil (Abmessung von 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) über dem Gefäß Anordnen des LCE anstelle an beiden Enden zu halten. Der Abstand zwischen den Löchern beträgt 3 mm auf einer Seite des Schiffes, und Kerben sind um die Löcher herum angeordnet, wie in 4 gezeigt ist. Dies soll mit der Größe der LCE Substraten oben beschrieben kompatibel. Leitfähigen Kohlenstoffstäbe werden über einen kommerziellen Anbieter erhalten, wie in der Material Supplement gezeigt. <ol><li> Kohlenstoffstangen durch die Löcher in den Gefäßen einsetzen und an Ort und Stelle mit medizinischem Silikon Klebstoff halten. Härten des Klebstoffs O / N. </li></ol></li><li> Transfer LCE Nanokomposite mit Herzmuskelzellen zu einer benutzerdefinierten 3D-Druckgefäß gefüllt mit Zellkulturerhaltungsmedium und mit parallelen leitenden Kohlenstoffstangen zu einer Stromquelle verbunden ist. Legen Sie das LCE über die Kohlenstoffstangen und befestigen an einem Ende einen elektrischen Kontakt zu gewährleisten. <ol><li> Legen Sie eine rechteckige Kunststoffteil durch die Kerben in der 3-D-Schiff, das die LCE an Ort und Stelle an einem oder an beiden Enden zu halten, aber stellen diese lose über den LCE Probe. Elektrisch stimulieren LCE durch Anwendung einer 40 V AC elektrische Potential mit einer 5 sec / Ausschaltzeit für insgesamt 24 Stunden. </li></ol></li><li> Fleck der Membran lebender Zellen mit Calcein AM wie zuvor 11 beschrieben. </li><li> Für Kerne Färbung, decken Sie die Zellen mit DAPI-haltigen Montagemedium vor der Bilderzeugung unter einem umgekehrten Fluoreszenzmikroskop. Verwendung des Best-Fit-Funktion können ImageJ die Anzahl der lebenden Zellen zu zählen und den Winkel der Ausrichtung der Zellen bestimmen. </li></ol> 6. Aktive Zellkultur mit LCEs Direktheizung verwenden <ol><li> Wiederholen Sie die Schritte 5,1-5,3 oben mit einem reinen LCE ohne Ruß-Nanopartikel zugesetzt. Dieses Verfahren wird auch im Detail in einer Vorveröffentlichung beschrieben. 11 </li><li> Übertragen Sie die LCE mit Kardiomyozyten in eine Petri dish mit Zellkulturerhaltungsmedium und einer 0,5 &quot;x 2&quot; Kapton Widerstandsheizung. Versorgungs Wärme an das LCE von mit einer Heizleistung von 12 W. Zyklus auf der Widerstandsheizung Ein- und Ausschalten der Wärme mit 5 sec Intervallen für mindestens 24 Stunden. </li></ol>

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<li>Agrawal, A., Chipara, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+self-stiffening+in+liquid+crystal+elastomers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Dynamic self-stiffening in liquid crystal elastomers.</a> Nat Commun. 4, 1739(2013).</li>
<li>Sharma, A., Neshat, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biodegradable+and+Porous+Liquid+Crystal+Elastomer+Scaffolds+for+Spatial+Cell+Cultures%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Biosci%22%5BJournal%5D)">Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures.</a> Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).</li>
<li>Yeh, L. C., Dai, C. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neat+poly%28ortho-methoxyaniline%29+electrospun+nanofibers+for+neural+stem+cell+differentiation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Neat poly(ortho-methoxyaniline) electrospun nanofibers for neural stem cell differentiation.</a> J. Mater. Chem. B. 1, 5469-5477 (2013).</li>
<li>Krause, S., Dersch, R., Wendorff, J. H., Finkelmann, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photocrosslinkable+Liquid+Crystal+Main-Chain+Polymers%3A+Thin+Films+and+Electrospinning%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Rapid+Commun%22%5BJournal%5D)">Photocrosslinkable Liquid Crystal Main-Chain Polymers: Thin Films and Electrospinning.</a> Macromol. Rapid Commun. 28 (21), 2062-2068 (2007).</li>
<li>Liu, D., Broer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+controlled+friction+at+a+liquid+crystal+polymer+coating+with+switchable+patterning%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Light controlled friction at a liquid crystal polymer coating with switchable patterning.</a> Soft Matter. 10 (40), 7952-7958 (2014).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Um monodomänenförmige LCEs herzustellen, müssen die LCEs während der Vernetzung einachsig belastet werden. In der Praxis ist dies eine Herausforderung, da das LCE belastet wird, wenn es nur teilweise vernetzt ist, und daher mechanisch nicht robust ist und leicht brechen oder reißen kann. Mit der oben beschriebenen Vorgehensweise (Schritte 1.1 - 1.4) können Monodomänen-LCEs konsistent erzeugt werden. Ein kritischer Schritt ist die Entnahme des LCE aus der PTFE-Form, um sie zum richtigen Zeitpunkt zu beladen. Wenn das LCE...

Materialien, die 1-9 wünschenswert sind schnell, reversibel und programmierbare Formänderungen für eine Reihe von neuen Anwendungen aufweisen kann. Form-responsive Stents können 7 mit der Wundheilung und Behandlung unterstützen. Künstliche Roboter können in der Explorations- oder bei der Durchführung von Aufgaben in Umgebungen unterstützen, die für den Menschen schädlich 10 oder unsicher sind. Form-responsive Elastomere wünschenswert sind für den Einsatz in aktiven Zellkultur, in der Zellen, die in einer aktiven Umgebung befinden. 11-14 Weitere Anwendungen sind Verpackungen, Abtastung und Drug-Delivery. Flüssigkristall-Elastomere (LCE) sind Polymernetzwerke mit Flüssigkristall 15-20 bestellen. LCEs werden durch die Kombination eines flexiblen Polymernetzwerk mit Flüssigkristallmoleküle bekannt als Mesogene hergestellt. Die Reaktionsfähigkeit LCEs aus der Kopplung von Flüssigkristall um Stämme in dem Polymernetzwerk abgeleitet ist, und Reize, die die Reihenfolge der Mesogene beeinflussen GenRate Netzwerk-Stämme, und umgekehrt. Um große und reversible Formänderungen in der Abwesenheit von einer externen Last zu erreichen, müssen die Mesogene in einer einzigen Richtung in dem LCE ausgerichtet werden. Eine gemeinsame praktische Herausforderung bei der Arbeit mit LCEs erzeugt Monodomäne LCEs. Eine weitere Herausforderung ist die Erzeugung Formänderungen als Reaktion auf Reize andere als Direktheizung. Dies kann durch die Zugabe von Nanopartikeln oder Farbstoffen LCE Netzwerke 21-28 erfolgen. Hier zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs und LCE Nanokomposite. Zuerst zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs des zweistufigen Verfahren unter Verwendung von zuerst von Kupfer et al. 29. Dies ist immer noch die beliebteste und bekannteste Methode zur Monodomäne LCEs Vorbereitung, aber, eine gleichmäßige Ausrichtung und Konsistenz zwischen den Proben kann eine Herausforderung sein . Wir zeigen einen Ansatz, der leicht unter Verwendung von Standardlaborgeräten durchgeführt werden können, einschließlich der vollständigen Details zur ProbenahmeHandhabung und Zubereitung. Als nächstes zeigen wir, wie leitfähigen Ruß Nanopartikel LCEs hinzugefügt werden können leitfähige, elektrisch ansprechende LCEs zu erzeugen. Wir zeigen dann die Synthese und die Ausrichtung von Epoxid-Basis LCEs. Diese Materialien weisen austauschbare Netzwerk-Bindungen und kann durch Erwärmen auf erhöhte Temperaturen und Anlegen einer gleichmäßigen Belastung ausgerichtet werden. Alle LCEs durch makroskopischen Probenabbildung, Röntgenbeugungsmessungen und dynamisch-mechanischen Analyse charakterisiert. Schließlich zeigen wir eine mögliche Anwendung von LCEs als Form reagierenden Substrate für aktive Zellkultur.

<table><tbody><tr><td>4-Methoxyphenyl 4-(3-butenyloxy)benzoat</td><td>TCI America</td><td>M2106</td><td>Reaktives Mesogen</td></tr><tr><td>Poly(methylhydrosiloxan)</td><td>Gelest</td><td>HMS-993</td><td>Reaktives Polysiloxan</td></tr><tr><td>1,4-di(10-undecenyloxybenzol)</td><td>N/A</td><td>N/A Siehe</td><td>: Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. Bis-Isoxazolidine: Eine neue Klasse von Korrosionsinhibitoren von Baustahl in sauren Medien. Wissenschaft der Korrosion. 50 (11), 3070&ndash; 3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)</td></tr><tr><td>(Dichlor(1,5-cyclooctadien)-platin(II)&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>244937 Pt-Katalysator</td><td></td></tr><tr><td>PTFE-Form</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>hergestellt in der Rice-Maschinenwerkstatt</td></tr><tr><td>Ruß-Nanopartikel</td><td>Cabot</td><td>VULCAN&reg; &nbsp; XC72R</td><td>wird bei der Synthese von LCE-Nanokompositen</td></tr><tr><td>Polystyrol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>331651</td><td>linearem Polystyrol verwendet&nbsp;</td></tr><tr><td>4,4'-diglycidyloxybiphenyl</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>siehe:&nbsp; Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. Flüssigkristalline Epoxid-Duroplaste. Molekulare Kristalle und Flüssigkristalle Wissenschaft und Technologie. Abschnitt A. Molekulare Kristalle und Flüssigkristalle. 266 (1), 9&ndash; 22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995).</td></tr><tr><td>Sebacinsäure</td><td>Sigma Aldrich</td><td>283258</td><td>C8-Bindungsgruppe für die Epoxy-LCE-Synthese</td></tr><tr><td>Hexadecandisäure</td><td>Sigma Aldrich</td><td>177504</td><td>C16-Bindungsgruppe für die Epoxy-LCE-Synthese</td></tr><tr><td>Carboxydecyl-terminiertes Polydimethylsiloxan</td><td></td><td>Gelest DMS-B12</td><td>Siloxan-Bindungsgruppe für die Epoxid-LCE-Synthese</td></tr><tr><td>1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0] dec-5-en</td><td>Sigma Aldrich</td><td>345571</td><td>Katalysator für reversible LCEs-Kohlenstoffstäbe</td></tr><tr><td></td><td>Ladd Research&nbsp;</td><td>30250</td><td>wird in Zellkulturexperimenten verwendet</td></tr><tr><td>Silikonklebstoff in medizinischer Qualität</td><td>Silbione</td><td>MED ADH 4100 RTV</td><td>wird verwendet, um Kohlenstoffstäbe auf das Gefäß zu kleben</td></tr></tbody></table>

herstellung von monodomäne liquid crystal elastomere und liquid crystal elastomer nanokomposite

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs sind Form ansprechenden Materialien mit völlig reversibel Formänderung und mögliche Anwendungen in der Medizin, Tissue Engineering, künstliche Muskeln, und so weich Roboter. Hier zeigen wir die Herstellung von Form ansprechende Flüssigkristall-Elastomere (LCEs) und LCE Nanokomposite sowie Charakterisierung ihrer Form-Reaktionsfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur. Zwei Arten von LCEs - Polysiloxan basierenden und auf Epoxybasis - synthetisiert werden, ausgerichtet sind, und charakterisiert. Auf Polysiloxanbasis LCEs werden über zwei Vernetzungsschritten hergestellt, die zweite unter einer angelegten Last, was zu einer Monodomäne LCEs. Polysiloxan LCE Nanokomposite werden durch Zugabe von leitfähigem Ruß Nanopartikel, die beide über die Masse des LCE und mit dem LCE Oberfläche vorbereitet. Epoxid-Basis LCEs werden durch eine reversible Veresterung hergestellt. Epoxybasis LCEs werden durch die Anwendung einer uniaxialen Belastung bei erhöhten (160 ° C) ausgerichtet temperatures. Ausgerichtet LCEs und LCE Nanokomposite werden in Bezug auf reversible Dehnung, mechanische Steifigkeit aus, und Flüssigkristall-Bestellung eine Kombination aus Bildgebung, zweidimensionalen Röntgenbeugungsmessungen, Differentialscanningkalorimetrie und dynamische mechanische Analyse. LCEs und LCE Nanokomposite können mit Wärme und / oder elektrische Potential stimuliert werden, um steuerbar Stämme in Zellkulturmedien zu erzeugen, und wir zeigen die Anwendung als Form LCEs reagierende Substrate für Zellkultur eine maßgeschneiderte Vorrichtung verwendet.

Monodomäne LCEs sind Form ansprechenden durch Kopplung von Netz Konformation mit Flüssigkristall-Bestellung. Heizung LCEs führt zu einer Abnahme in der Flüssigkristall-Ordnungsparameter, eine Kontraktion des Polymernetzwerk entlang der primären Orientierungsrichtung zu erzeugen. Dies wird einfach durch Plazieren eines LCE auf einer Heizplatte sichtbar gemacht, wie in 1A und 1B gezeigt. In Erwärmung entlang der Länge der Probe von RT, die LCE Verträge auf...

Wir demonstrieren die Herstellung von Flüssigkristallelastomeren (LCEs) auf Siloxan- und Epoxidbasis und LCE-Nanokompositen. Die LCEs werden in Bezug auf reversible Dehnung, Flüssigkristallordnung und Steifigkeit charakterisiert. Als mögliche Anwendung demonstrieren wir ihre Verwendung als formempfindliche Substrate in einem kundenspezifischen Gerät für aktive Zellkulturen.

Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ausgerichtete, formresponsive Flüssigkristall-Elastomere und Nanokomposite herzustellen. Flüssigkristall-Elastomere sind stimuli-responsive Materialien, die ihre Form als Reaktion auf Umweltreize verändern. Sie können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Gewebeengineering, wo bekannt ist, dass Zellen auf mechanische Spannungen und Dehnungen in ihrer Umgebung reagieren.Bei diesem Verfahren, das wir demonstrieren werden, setzen wir auf kostengünstige Materialien. Die von uns dargestellte Methode ist zuverlässig und kann in jedem Labor ohne teure oder spezialisierte Ausrüstung umgesetzt werden. Diese Materialien können bei der Entwicklung von Herzmuskelschichten eingesetzt werden, wobei bekannt ist, dass mechanische Spannungen und Dehnungen die Differenzierung, Reifung und Funktion von Herzmuskelzellen beeinflussen können.Die visuelle Demonstration dieses Verfahrens ist wichtig, da der Prozess schwer zu erlernen sein kann und die Proben besonders empfindlich sind, wenn sie gehängt, beladen und vernetzt werden. Die Demonstration wird von Hojin Kim, Bohan Zhu und Huiying Chen durchgeführt, Studenten aus unserem Labor und dem Jeff Jaycot Labor. Beginnen Sie damit, 166,23 Milligramm eines reaktiven Mesogens, 40 Milligramm Siloxan und 12,8 Milligramm Vernetzer mit 0,6 Millilitern wasserfreiem Toluol in einem kleinen Gefäß mit einem Rührstab zu vermischen.Rühren Sie die Lösung bei 35 Grad Celsius für 25 Minuten, damit die Reagenzien vollständig auflösen. In einem separaten Gefäß stellen Sie eine einprozentige Gewichtslösung eines Platin-Katalysators in Dichlormethan her. Geben Sie anschließend 30 Mikroliter der Katalysatorlösung zu der zuvor hergestellten Lösung hinzu und rühren Sie das Gemisch mit dem Rührstab.Geben Sie die Lösung anschließend in eine speziell angefertigte rechteckige Form aus Polytetrafluorethylen. Decken Sie die Form locker mit einem Objektträger ab und stellen Sie sie für 30 Minuten in einen Ofen bei 60 Grad Celsius. Schütteln Sie die Form in regelmäßigen Abständen, um während der ersten 15 Minuten Blasen zu entfernen.Entfernen Sie die Form aus dem Ofen und kühlen Sie sie schnell mit flüssigem Stickstoff ab, indem Sie flüssigen Stickstoff in einen kleinen Behälter geben und den Boden der PTFE-Form für 2 Sekunden mit dem flüssigen Stickstoff in Kontakt bringen. Sobald das Gemisch abgekühlt ist, legen Sie ein PTFE-Blatt ab und verwenden Sie einen Metallspatel, um das Elastomer vorsichtig aus der Form zu lösen und auf das Blatt zu legen. Anschließend schneiden Sie mit einer Rasierklinge die Ränder des flüssigkristallinen Elastomers ab und teilen es längs in drei gleich große Stücke. Hängen Sie jedes Stück an eine horizontale Stange und befestigen Sie das Elastomer mit Klebeband. Fügen Sie alle zehn Minuten jeweils einen Büroklammer hinzu, bis zum Ende der Elastomere. Lassen Sie sie sieben Tage lang bei Raumtemperatur hängen und notieren Sie jegliche Änderungen der Länge oder Gleichförmigkeit.Entsorgen Sie jede Probe, die reißt oder bricht. Um einen elektrisch responsiven nanokompositen Flüssigkristall-Elastomer herzustellen, geben Sie 4,38 Milligramm Ruß-Nanopartikel zu der Reaktionslösung, die das reaktive Mesogen, das Vernetzungsmittel und Siloxan enthält. Verwenden Sie während des Hängeschritts der Herstellung insgesamt fünf Büroklammern anstelle von 10, um die Probe zu belasten.Fügen Sie weitere Ruß-Nanopartikel zur Oberfläche des flüssigkristallinen Elastomers hinzu. Bereiten Sie eine 1 %ige (Gewicht pro Volumen) Lösung von Ruß-Nanopartikeln in Toluol vor. Suspendieren Sie die Lösung 20 Minuten im Ultraschallbad, um die Ruß-Nanopartikel zu dispergieren, und gießen Sie die Dispersion anschließend in eine Petrischale. Danach die Flüssigkristall-Elastomere sechs Stunden lang in die Nanopartikeldispersion eintauchen. Nach dem Entnehmen aus der Lösung überschüssige Flüssigkeit mit der Pipette aus der Petrischale entfernen und das Elastomer an der Luft trocknen lassen. Überschüssige Kohlenstoffpartikel auf der Oberfläche vorsichtig mit Klebeband oder einem Wattestäbchen entfernen.Um reversibel auf Epoxidharz basierende flüssigkristalline Elastomere herzustellen, mischen Sie 246,15 Milligramm 4,4'-Dihydroxydiphenyl-diglycidylether, 101 Milligramm Sebacinsäure, 71,6 Milligramm Hexadecandisäure und 76 Milligramm carboxydecylterminiertes PDMS in einer rechteckigen PTFE-Form. Erhitzen Sie die Proben, indem Sie sie auf eine Heizplatte bei 180 Grad Celsius stellen. Geben Sie anschließend 11,48 Milligramm Katalysator hinzu und rühren Sie die Mischung mit metallenen Pinzetten, die auf 180 Grad Celsius vorgeheizt wurden.Rühren Sie die Mischung periodisch weiter, um Blasen zu entfernen, die durch die Reaktion entstehen. Lassen Sie die Mischung anschließend etwa 20 Minuten lang weiter reagieren. Entfernen Sie das PTFE-Boot nach dem Gelieren vom Heizblock und lassen Sie die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen.Verwenden Sie dann eine Rasierklinge, um das Elastomer von der PTFE-Form zu trennen. Anschließend zwei PTFE-Blätter in eine Polymerpresse bei 180 Grad Celsius geben. Das Elastomer zwischen den PTFE-Blättern platzieren und die Probe auf eine Dicke von 0,3 bis 0,5 Millimetern zusammendrücken.Heizen Sie das Elastomer weiterhin bei 180 Grad Celsius für vier Stunden. Nach vier Stunden entfernen Sie die Probe und kühlen sie auf Raumtemperatur ab. Anschließend schneiden Sie die Probe in rechteckige Stücke mit einer Länge von 2,5 Zentimetern und einer Breite von 0,5 Zentimetern. Befestigen Sie die Probe an einem Ende mit Polyimidband im Inneren eines Heizofens. Hängen Sie 12 Büroklammern mit einem Gesamtgewicht von 8,88 Gramm an das freie Ende der Probe. Stellen Sie anschließend die Temperatur des Ofens auf 165 Grad Celsius ein und heizen Sie die Proben über Nacht.Entfernen Sie das Elastomer aus dem Ofen und notieren Sie die Änderung der Länge. Erhitzen Sie danach die Probe auf einer Heizplatte auf 80 Grad Celsius, um verbleibende Spannungen zu entfernen, und kühlen Sie anschließend wieder auf Raumtemperatur ab. Messen Sie die umkehrbare Dehnung, indem Sie die Proben auf eine Heizplatte legen und die Platte erneut auf 120 Grad Celsius erhitzen.Bilden Sie die Probe bei Raumtemperatur ab, nachdem sie auf 120 Grad Celsius erhitzt und anschließend wieder auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Verwenden Sie die Aufnahmen, um die Probenlänge in jedem Schritt zu messen. Für thermomechanische Messungen schneiden Sie die Proben manuell mit einem Rasiermesser auf Abmessungen von zwei Zentimetern mal 0,3 Zentimetern zu und befestigen Sie sie einzeln vorsichtig zwischen den Zugklemmen.Wenden Sie eine Kraft von einem Millinewton auf die Probe an, um zunächst jegliche Spieligkeit zu beseitigen. Anschließend bringen Sie die Proben bei 30 Grad Celsius in thermisches Gleichgewicht, gefolgt von Heiz- und Kühlzyklen. Erhitzen Sie die Probe mit fünf Grad Celsius pro Minute von 30 Grad Celsius bis auf 120 Grad Celsius.Notieren Sie die Änderungen von Länge und Breite der Probe während der Temperaturänderung. Behandeln Sie eine Oberfläche von flüssigkristallinen Elastomernanokompositen 30 Sekunden lang mit Sauerstoffplasma. Anschließend werden 300 Mikroliter einer 1 % Gewicht pro Volumen-Lösung von Polystyrol in Toluol bei 3.300 U/min eine Minute lang auf die plasmagereinigte Oberfläche aufgespint. Trocknen Sie das Elastomer unter Vakuum für 12 Stunden, um Toluol zu entfernen. Behandeln Sie dann die mit Polystyrol beschichtete Oberfläche des LCE-Nanokomposits mit Sauerstoff-Plasma für 30 Sekunden. Sterilisieren Sie die plasmabehandelten Elastomer-Nanokomposite 30 Minuten lang in 70 %igem Ethanol.Und waschen Sie sie anschließend mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung. Überführen Sie die gewaschenen Elastomernanokomposite in eine trockene Petrischale, wobei die mit Polystyrol beschichtete Seite nach oben zeigt. Geben Sie danach fünf Milliliter einer Kollagen-Lösung vom Typ I in eine Schale und beschichten Sie die gesamte Oberfläche der Proben, indem Sie sie in die Kollagen-Lösung eintauchen.Dann decken Sie die Proben ab und inkubieren Sie sie bei 37 Grad Celsius und 5 % Kohlendioxid für mindestens 30 Minuten. Impfen Sie isolierte neonatale ventrikuläre Kardiomyozyten von Ratten auf die Substrate mit einer Dichte von 100.000 bis 600.000 Zellen pro Quadratzentimeter aus. Kultivieren Sie die Zellen gemäß der begleitenden textlichen Anleitung.Nachdem die Zellen fest angeheftet haben, überführen Sie die besiedelten Flüssigkristall-Elastomer-Nanokomposite in ein benutzerdefiniertes, dreidimensional gedrucktes Gefäß. Führen Sie anschließend ein rechteckiges Kunststoffstück durch die Kerben im 3D-Gefäß, um das Flüssigkristall-Elastomer an einem oder beiden Enden zu fixieren. Platziern Sie die Probe über die Kohlenstoffstäbe und befestigen Sie sie an einem Ende, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen.Stellen Sie sicher, dass das Gefäß mit Zellkultur-Standardmedium gefüllt ist und mit parallelen leitfähigen Kohlenstoffstäben ausgestattet ist, die an eine elektrische Quelle angeschlossen sind. Elektrisch stimulieren Sie flüssigkristalline Elastomere mit einem Wechselstrompotential von 40 Volt, das eine Einschaltzeit von fünf Sekunden und eine Ausschaltzeit von fünf Sekunden aufweist, insgesamt 24 Stunden lang. Flüssigkristalline Elastomere ziehen sich zusammen und dehnen sich reversibel aus, wenn sie von Raumtemperatur auf Temperaturen oberhalb der nematisch-isotropen Übergangstemperatur, etwa 80 Grad Celsius, erhitzt werden.Mittels dynamischer mechanischer Analyse lässt sich die Formänderung des flüssigkristallinen Elastomers in Abhängigkeit von der Temperatur quantitativ bestimmen. Die durch das hier gezeigte Diagramm beschriebene Probe wurde über vier Zyklen hinweg erhitzt und abgekühlt. Nach dem Erhitzen zeigt die Probe eine Verkürzung von etwa 35 % in der Richtung, in der sie während der Herstellung aufgehängt war. Die Probe dehnt sich außerdem um 25 bis 30 % in senkrechter Richtung aus. Flüssigkristall-Elastomer-Nanokomposite ziehen sich bei Anlegen eines elektrischen Potentials zusammen. Bei einer Wechselspannung von 40 Volt verkürzen sich die Flüssigkristall-Elastomer-Nanokomposite in der Richtung, in der sie während der Herstellung aufgehängt wurden, um etwa 22 1/2 %.Hier wurden die Proben einem Ein-Aus-Zyklus alle 15 Sekunden ausgesetzt. Sobald das Verfahren beherrscht ist, kann es innerhalb von zwei Stunden abgeschlossen werden, und die gesamte Synthese ist nach einer Woche vollständig, nachdem die Probe aufgehängt wurde. Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, dass Sie daran denken, das LC mit der korrekten Menge an Gewicht aufzuhängen.Andernfalls können Sie die Probe möglicherweise nicht korrekt ausrichten oder sie während der Herstellung beschädigen. Indem Sie dieses Verfahren befolgen, können Sie der LCE andere Arten von Additiven wie Kohlenstoffnanoröhren hinzufügen, um zu untersuchen, auf welche Reize sie reagieren könnte. Wir hoffen, dass diese Forschung Biologen und Bioingenieuren den Weg ebnen wird, um responsive Substrate zu formen und die Auswirkungen von mechanischer Spannung und Dehnung 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, formanpassungsfähige Flüssigkristall-Elastomere und Nanokomposite aus Flüssigkristall-Elastomeren herstellt.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Eine neuartige Methode wird vorgestellt zu synthetisieren und Programmhauptkette flüssigkristallinen Elastomeren unter Verwendung von im Handel erhältlichen Ausgangs Monomeren. Eine Vielzahl von thermomechanischen Eigenschaften wurde durch Einstellen der Menge an Vernetzer zugeschnitten, während die Betätigungsfunktion war abhängig von der Menge der aufgebrachten Belastung während des Programmierens.

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