Name: Preparación de monodominio de cristal líquido elastómeros y elastómeros de cristal líquido nanocompuestos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 21 s
Description: Aprende a preparar elastómeros de cristal líquido y nanocompuestos alineados para ingeniería de tejidos. Este método accesible permite crear sustratos sensibles a estímulos para cultivos celulares activos.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Carrera (CBET-1336073 para RV), el Fondo de Investigación del Petróleo ACS (52345-DN17 a RV), la Asociación Americana del Corazón (BGIA a JGJ), la Fundación Nacional de Ciencia (CARRERA CBET-1055942 de JGJ), los Institutos nacionales de / Salud del corazón, pulmón y la sangre (1R21HL110330 a JGJ), Louis y melocotones Owen y el hospital infantil de Texas.

1. Síntesis de las LCE Alineados polisiloxano <ol><li> Combinar 166.23 mg de mesógeno reactivo (4-metoxifenil 4- (3-buteniloxi) benzoato de metilo), 40 mg de poli (hidrometilsiloxano), y 12,8 mg de agente de reticulación (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) 30 con 0,6 ml de anhidro tolueno en un frasco pequeño (aproximadamente 13 mm de diámetro y 100 mm de longitud) cargadas con una barra de agitación. Se agita la solución a 35 ° C durante 25 minutos para disolver. </li><li> En un vial separado, preparar una solución de 1% en peso de dicloro (1,5-ciclooctadieno) platino catalizador (II) en diclorometano. Añadir 30 l de solución de catalizador a los reactivos de la etapa 1.1 a través de la pipeta, agitar para mezclar, y se vierte la solución en una (2 cm x 1 cm 3 cm x) de molde a medida politetrafluoroetileno rectangular (PTFE). Cubrir el molde sin apretar con un portaobjetos de vidrio y el lugar en el horno de calentamiento a 60 ° C durante 30 min mientras se agita periódicamente para eliminar las burbujas durante la primera 15 min. </li><li> Quitar el molde del horno de calentamiento y cool con nitrógeno líquido mediante el vertido de nitrógeno líquido en un recipiente pequeño y en contacto con la parte inferior del molde de PTFE con el nitrógeno líquido durante 2 s. <ol><li> Una vez que la mezcla se haya enfriado, retirar con cuidado elastómero del molde con una espátula de metal y colocar en la parte superior de una hoja de PTFE. Recortar los bordes de la LCE usando una hoja de afeitar y cortar el LCE largo de su longitud en tres piezas de igual tamaño (aprox. 2,7 cm de longitud y 0,5 cm de ancho). </li></ol></li><li> Colgar cada pieza por un extremo a una varilla horizontal y adjuntar 10 clips (4,4 g) al otro extremo de la LCE. Mantenga el LCE en su lugar con cinta, y añadir clips de una en una en incrementos de 10 min. Colgar la LCE durante 7 días a temperatura ambiente, teniendo en cuenta los cambios en la longitud y uniformidad. Descarte cualquier muestra que desgarra o se rompe. Extraer muestras y almacenar a temperatura ambiente. </li></ol> 2. Preparación de polisiloxano eléctricamente sensible nanocompuestos LCE <ol><li> Para preparar nanocompuestos LCE con negro de humo dispersado a través de lagrueso de la muestra, primero repita los pasos 1.1 a 1.4 anteriormente. Añadir nanopartículas negro 4,38 mg de carbono a la solución de reacción que contiene mesógeno reactivo, agente de reticulación, y de siloxano. Use un total de 5 clips en lugar de 10 para la carga. </li><li> Con el fin de añadir las nanopartículas de negro de carbono adicional a la superficie LCE, preparar 1% w / v de solución de nanopartículas de carbono negro en tolueno. Someter a ultrasonidos durante 20 min para dispersar nanopartículas y luego se vierte la dispersión en una placa de Petri. Sumergir las LCE desde el paso 2.1 en la dispersión de nanopartículas durante 6 horas. </li><li> Después de 6 horas, utilizar una pipeta para retirar la solución de la placa de Petri y permitir que el elastómero se seque al aire. limpiar suavemente el exceso de partículas de carbono en la superficie usando cinta adhesiva o un hisopo de algodón. </li></ol> 3. Preparación de las LCE base epoxídica reversible <ol><li> Mezclar 246,15 mg de 4,4&#39;-diglycidyloxybiphenyl 31, 101 mg de ácido sebácico, 71,6 mg de ácido hexadecanodioico, y 76 mg de polidi carboxidecil terminadosmetilsiloxano en un (3 cm x 2 cm x 1 cm) rectangular molde de PTFE o hechos a medida. Calentar las muestras mediante la colocación sobre una placa caliente a 180 ° C. <ol><li> Añadir 11,48 mg de (1,5,7-triazabiciclo [4.4.0] dec-5-eno) catalizador y remover con unas pinzas de metal precalentado a 180 ° C. Continuar la reacción hasta que la mezcla forma un gel, después de aproximadamente 20 min, y se agita periódicamente para eliminar las burbujas generadas por la reacción. </li></ol></li><li> Retire el barco de PTFE de la placa caliente y dejar enfriar a temperatura ambiente. Utilice una hoja de afeitar para separar el elastómero del molde de PTFE. </li><li> Colocar dos hojas de PTFE en una prensa de polímero a 180 ° C. Coloque el elastómero de la etapa 3.2 entre las láminas de PTFE y comprimir la muestra a un espesor de 0,3 - 0,5 mm. Continuar calentando a 180 ° C durante 4 horas. </li><li> Retire la muestra y enfriar a temperatura ambiente. Cortar la muestra en trozos rectangulares (aproximadamente 2,5 cm de longitud y 0,5 cm de ancho). Colgar la muestra en un extremo usando cinta de poliimida dentro de un horno de calentamiento. Adjuntar 12 paperclips (8,88 g) al extremo libre de la muestra. Ajuste la temperatura del horno de calentamiento a 165 ° CO / N, o por 12 - 16 horas. </li><li> Retire el elastómero del horno de calentamiento y tenga en cuenta el cambio de longitud. Calentar la muestra a 80 ° C sobre una placa caliente para eliminar la tensión residual a continuación enfriar de nuevo a RT. </li></ol> 4. Pruebas y Caracterización de las LCE <ol><li> Medir la deformación reversible por calentamiento de las muestras sobre una placa caliente a 120 ° C y de formación de imágenes con una cámara. Tenga en cuenta la longitud inicial de la muestra a TA, la longitud de la muestra después de calentar a 120 ° C, y la longitud después de volver a enfriar a RT. LCE deben contraerse en aproximadamente un 30% y volver a su longitud inicial al enfriar. Ver ejemplo imágenes que se muestran en la Figura 1A y 1B. </li><li> Analizar temperatura de transición de fase y de transición vítrea mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) cortando una pequeña pieza de cada LCE y el escaneado desde 0 ° C a 150 ° C a una calefacción / covelocidad de 10 ° C Oling / min 32,33. </li><li> Cuantificar el grado de alineación de cristal líquido mediante medidas de difracción de rayos-X. Colocar las muestras en un difractómetro de rayos X con capacidades de imagen 2D. 33 Ver imágenes de difracción de ejemplo que se muestran en la Figura 2. Nota: La imagen de difracción debe ser anisotrópico, lo que refleja la alineación de la LCE 33. LCE polisiloxano son las LCE nemáticos y basados ​​en epoxi exhiben una fase esméctica. </li><li> Medir la rigidez de LCE y el cambio en longitud y anchura usando análisis mecánico dinámico (DMA). La longitud de registro y cambios de rigidez como una función de la temperatura para las LCE y como una función de potencial eléctrico para los nanocompuestos LCE. <ol><li> Para las mediciones termo-mecánicas, utilice una hoja de afeitar para cortar manualmente muestras de dimensiones de 2 cm x 0,3 cm y con cuidado en sujetar entre las abrazaderas de tensión. Aplicar una fuerza de 1 mN para tensarla. <ol><li> Equilibre térmicamente las muestras a 30 ° C Folloconducido por los ciclos de calentamiento y enfriamiento a 5 ° C / min. muestra de calor de 30 ° C hasta 120 ° C. Los cambios de temperatura provocan cambios en la longitud y anchura de la muestra, que se registran durante la medición DMA. Vea la Figura 3A para las medidas termomecánicas de una muestra LCE. </li></ol></li><li> Para las mediciones electromecánicos, cortar manualmente muestras de nanocompuestos LCE a las dimensiones de 2 cm x 0,3 cm y la cola de un alambre de cobre en los extremos opuestos de los nanocompuestos LCE utilizando un epoxi de plata. Fijar el nanocompuesto LCE utilizando abrazaderas de tensión con 1 mN tensión. <ol><li> Aplicar un potencial eléctrico a través de los cables de cobre a una tensión que va de 0 - 60 V, una frecuencia de 60 Hz, y una en la duración / off de impulsos que van desde 0,1 seg - 30 sec. </li><li> cambios en la forma de grabación en respuesta al potencial eléctrico. Aplicar una fuerza fija de 1 mN para eliminar la holgura. El cambio de posición de las abrazaderas corresponde a cambios de forma de la muestra. ver Figure 3B para las mediciones electromecánicos de una muestra LCE nanocompuesto. </li></ol></li></ol></li></ol> 5. Cultura celda activa a través de la estimulación eléctrica de la LCE nanocompuestos <ol><li> El tratamiento de una superficie de nanocompuestos LCE bajo plasma de oxígeno durante 30 segundos. Molde de la vuelta 300 l de una solución de poliestireno en tolueno (1% w / v) a 3300 rpm durante 1 min en la parte superior de la superficie de plasma limpiado. Se seca el elastómero al vacío durante 12 horas para eliminar el tolueno, y el tratamiento de la superficie de poliestireno recubierto de material nanocompuesto de la LCE mediante plasma de oxígeno durante 30 segundos. </li><li> Coloque nanocompuestos LCE en solución de etanol al 70% durante 30 minutos para esterilizar la superficie. <ol><li> Lavar el nanocompuesto LCE con solución salina tamponada con fosfato y transferir el LCE a un plato de Petri en seco con el lado recubierto de poliestireno hacia arriba. Escudo toda la superficie de la LCE por inmersión en 5 ml de una solución de colágeno tipo I de cola de rata (50 g / ml en 0,02 N de ácido acético). Incubar la LCE nanocomposite a 37 ° C y 5% de CO2 durante al menos 30 minutos. </li></ol></li><li> Aislar los cardiomiocitos ventriculares de rata neonatal y suspender en medio de siembra de alta suero como se informó anteriormente 11. <ol><li> Células de la placa en la parte superior de sustratos LCE describen como anteriormente a una densidad de 100.000 - 600.000 células / cm2. Alrededor de 24 horas más tarde, transferir las células a un medio bajo en suero de mantenimiento (DMEM, 18,5% M199, HS al 5%, 1% de FBS y antibióticos). Permitir que los cardiomiocitos para sujetar y proliferan en la superficie de la LCE durante 4 días. </li></ol></li><li> Diseñar y fabricar un recipiente personalizado utilizando una impresora 3-D y usando el esquema de la embarcación mostrada en la figura 4 usando el protocolo del fabricante. Nota: El 3D impreso recipiente es un recipiente rectangular con unas dimensiones exteriores de 60 mm x 40 mm x 20 mm y dimensiones internas de 50 mm x 30 mm x 15 mm. En dos superficies laterales, hay dos conjuntos de orificios de 5 mm se utilizan para la inserción de varillas de carbono conductoras. Muescaes alrededor de los agujeros y hasta el borde superior del recipiente permiten la colocación de una pieza de plástico rectangular (dimensiones de 52,5 mm x 12 mm x 4 mm) a través del vaso para mantener el LCE en su lugar en ambos extremos. La distancia entre los orificios es de 3 mm en un lado de la embarcación, y las muescas están situados alrededor de los orificios, como se muestra en la Figura 4. Esto está diseñado para ser compatible con el tamaño de los sustratos LCE descritos anteriormente. varillas de carbón conductor se obtienen a través de un proveedor comercial tal como se muestra en el Suplemento Materiales. <ol><li> Insertar barras de carbono a través de los agujeros a través de los vasos y mantenga en su lugar con pegamento de silicona de grado médico. Curar el adhesivo S / N. </li></ol></li><li> nanocompuestos Transfer LCE con cardiomiocitos a un recipiente de encargo 3D impreso llena con medio de mantenimiento de cultivo de células y con varillas de carbono conductores paralelos conectados a una fuente eléctrica. Coloque el LCE a través de las varillas de carbono y fijar en un extremo para asegurar el contacto eléctrico. <ol><li> Inserte una pieza rectangular de plástico a través de las muescas en el recipiente 3-D para mantener la LCE en su lugar en uno o ambos extremos, pero este lugar sin apretar sobre la muestra LCE. Eléctricamente estimular LCE a través de la aplicación de un potencial eléctrico 40 V de CA con un 5 sec on / off tiempo para un total de 24 hr. </li></ol></li><li> Tinción de la membrana de las células vivas utilizando calceína AM como se ha descrito previamente 11. </li><li> Para la tinción de los núcleos, cubrir las células con DAPI que contienen medio de montaje antes de imágenes en un microscopio de fluorescencia invertida. Utilice ImageJ para contar el número de células vivas y determinar el ángulo de alineación de celdas utilizando la función de mejor ajuste. </li></ol> 6. Cultivo celular activa con las LCE utilizando calentamiento directo <ol><li> Repita los pasos 5.1 hasta 5.3 anterior usando un LCE puro sin nanopartículas de carbono negro Añadido. Este procedimiento también se describe en detalle en una publicación anterior. 11 </li><li> La transferencia de la LCE con cardiomiocitos a un d Petriish con los medios de mantenimiento del cultivo celular y un 0,5 &quot;x 2&quot; Kapton calentador resistivo. suministrará calor a la LCE activando el calentador resistivo con una potencia de calentamiento de 12 W. Ciclo de encendido y apagado del calor con intervalos de 5 segundos durante al menos 24 horas. </li></ol>

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<li>Giamberjni, M., Amendola, E., Carfagna, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+Crystalline+Epoxy+Thermosets%5BTitle%5D)+AND+%22Mol.+Cryst.+Liq.+Cryst.+Sci.+Technol.+Sect.+Mol.+Cryst.+Liq.+Cryst%22%5BJournal%5D)">Liquid Crystalline Epoxy Thermosets.</a> Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol. Sect. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 266 (1), 9-22 (1995).</li>
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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>

Los autores no tienen nada que revelar.

Para producir LCE monodominio, los LCE deben cargarse uniaxialmente durante la reticulación. Esto es un desafío en la práctica porque el LCE se carga cuando solo está parcialmente reticulado y, por lo tanto, no es mecánicamente robusto y puede romperse o romperse fácilmente. El procedimiento descrito anteriormente (pasos 1.1 a 1.4) puede producir LCE monodominio de manera consistente. Un paso crítico es la extracción del LCE del molde de PTFE para cargarlo en el momento adecuado. Si el LCE se retira demasiado rápido, se...

Materiales que pueden exhibir cambios rápidos, reversibles, y programables de forma son deseables para una serie de aplicaciones emergentes 1-9. Los stents de la forma sensible pueden ayudar en la curación de heridas y tratamiento 7. Robots artificiales pueden ayudar en la exploración o en la realización de tareas en entornos que son dañinos o peligrosos para los seres humanos 10. Elastómeros de la forma sensible son deseables para uso en cultivo celular activa, en la que las células se cultivan en un ambiente activo. 11-14 Otras aplicaciones incluyen el embalaje, de detección, y la administración de fármacos. Elastómeros de cristal líquido (LCE) son redes de polímero de cristal líquido con el pedido 15-20. LCE se realizan mediante la combinación de una red de polímero flexible con moléculas de cristal líquido conocidas como mesógenos. La capacidad de respuesta de las LCE se deriva del acoplamiento de orden de cristal líquido a las cepas en la red polimérica, y los estímulos que influyen en el orden de los mesógenos voluntad gencepas del tipo de red, y viceversa. Para lograr grandes y reversibles forma-cambios en la ausencia de una carga externa, los mesógenos deben estar alineados en una sola dirección en el LCE. Un reto práctica común en el trabajo con las LCE está generando monodominio LCE. Otro desafío está generando cambios en la forma en respuesta a estímulos distintos calentamiento directo. Esto se puede hacer a través de la adición de las nanopartículas o colorantes a las redes LCE 21-28. Aquí, nos demuestran la preparación de las LCE monodominio y nanocompuestos LCE. En primer lugar, se demuestra la preparación de las LCE monodominio utilizando el método de dos pasos por primera vez por Kupfer et al. 29 Esto sigue siendo el método más popular y conocido para la preparación de las LCE monodominio, pero el logro de alineación y consistencia uniforme entre muestras puede ser un reto . Demostramos un enfoque que puede ser fácilmente implementado utilizando equipos de laboratorio estándar, incluyendo todos los detalles sobre el muestreomanipulación y preparación. A continuación, se muestra cómo las nanopartículas de negro de carbón conductor se pueden añadir a las LCE para producir las LCE conductores, eléctricamente sensible. a continuación, se demuestra la síntesis y la alineación de las LCE basados ​​en epoxi. Estos materiales presentan enlaces de red intercambiables y se pueden alinear por calentamiento a temperaturas elevadas y la aplicación de una carga uniforme. Todas las LCE se caracterizan a través de imágenes de muestra macroscópica, medidas de difracción de rayos X y análisis mecánico dinámico. Por último, demostrar una posible aplicación de las LCE como sustratos de forma sensible para el cultivo celular activa.

<table><tbody><tr><td>4-metoxifenil 4-(3-buteniloxi)benzoato</td><td>TCI America</td><td>M2106</td><td>Mesógeno reactivo</td></tr><tr><td>poli(metilhidrosiloxano)</td><td>Gelest</td><td>HMS-993</td><td>Polisiloxano reactivo</td></tr><tr><td>1,4-di(10-undeceniloxibenceno)</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>véase: Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. Bis-isoxazolididinas: Una nueva clase de inhibidores de corrosión del acero dulce en medios ácidos. Ciencia de la corrosión. 50 (11), 3070&ndash; 3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)</td></tr><tr><td>(dicloro(1,5-ciclooctadieno)-platino(II)&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>244937</td><td>Molde</td></tr><tr><td>de PTFE</td> catalizador Pt <td>N/A</td><td>N/A</td><td>fabricado en el taller de máquinas de arroz</td></tr><tr><td>nanopartículas de negro de humo</td><td>Cabot</td><td>VULCAN&reg; &nbsp; XC72R</td><td>utilizado en la síntesis de nanocompuestos LCE</td></tr><tr><td>, poliestireno</td><td>Sigma Aldrich</td><td>331651</td><td>poliestireno lineal&nbsp;</td></tr><tr><td>4,4'-digliciloxibifenilo</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>véase:&nbsp; Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. Termoestables epoxi cristalino líquido. Cristales moleculares y cristales líquidos: ciencia y tecnología. Sección A. Cristales moleculares y cristales líquidos. 266 (1), 9&ndash; 22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995).</td></tr><tr><td>ácido sebácico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>283258</td><td>grupo de enlace C8 para la síntesis de epoxi-LCE</td></tr><tr><td>ácido hexadecanedioico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>177504</td><td>grupo de enlace C16 para la síntesis de epoxi-LCE</td></tr><tr><td>polidimetilsiloxano terminado en carboxidecilo</td><td>Gelest</td><td>DMS-B12</td><td>Grupo de enlace de siloxano para la síntesis de epoxi-LCE</td></tr><tr><td>1,5,7-triazabiciclo[4.4.0] dec-5-ene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>345571</td> catalizador para cañas de carbono <td>LCEs reversibles</td></tr><tr><td></td><td>Ladd Research&nbsp;</td><td>30250</td><td>utilizado en experimentos de cultivo celular</td></tr><tr><td>adhesivo de silicona de grado médico</td><td>Silbione</td><td>MED ADH 4100 RTV</td><td>utilizado para adherir varillas de carbono a un recipiente</td></tr></tbody></table>

preparación de monodominio de cristal líquido elastómeros y elastómeros de cristal líquido nanocompuestos

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCE son materiales de forma que responde con potenciales aplicaciones en la medicina cambio totalmente reversible forma y, la ingeniería de tejidos, músculos artificiales y robots como blandas. Aquí, nos demuestran la preparación de elastómeros de forma sensible de cristal líquido (LCE) y nanocompuestos LCE junto con la caracterización de su forma-respuesta, las propiedades mecánicas y la microestructura. Dos tipos de las LCE - a base de polisiloxano y basados ​​en epoxi - se sintetizan, alineados, y se caracterizaron. LCE a base de polisiloxano se preparan a través de dos pasos de reticulación, el segundo bajo una carga aplicada, lo que resulta en las LCE monodominio. nanocompuestos de polisiloxano LCE se preparan mediante la adición de nanopartículas de negro de carbón conductor, tanto a lo largo de la mayor parte de la LCE y a la superficie LCE. LCE basados ​​en epoxi se preparan a través de una reacción de esterificación reversible. LCE basados ​​en epoxi están alineados a través de la aplicación de una carga uniaxial a elevada (160 ° C) temperatures. LCE alineados y nanocompuestos LCE se caracterizan con respecto a la tensión reversible, rigidez mecánica, y el pedido de cristal líquido utilizando una combinación de formación de imágenes, las mediciones de difracción de rayos X de dos dimensiones, calorimetría diferencial de barrido, y el análisis mecánico dinámico. LCE y nanocompuestos LCE se pueden estimular con calor y / o potencial eléctrico para generar de forma controlable las cepas en los medios de cultivo celular, y que demuestran la aplicación de las LCE como sustratos de forma sensible para el cultivo celular utilizando un aparato de medida.

LCE son monodominio forma sensible debido al acoplamiento de la conformación de la red con el ordenamiento de cristal líquido. Calefacción LCE resulta en una disminución en el parámetro de orden de cristal líquido, produciendo una contracción de la red polimérica a lo largo de la dirección de alineación primaria. Esto es fácilmente visualizado por la colocación de un LCE sobre una placa caliente, como se muestra en la Figura 1A y 1B. En el calentamiento ...

Demostramos la preparación de elastómeros de cristal líquido (LCEs) a base de siloxano y epoxi y nanocompuestos LCE. Los LCEs se caracterizan con respecto a la deformación reversible, el ordenamiento del cristal líquido y la rigidez. Como aplicación potencial, demostramos su uso como sustratos sensibles a la forma en un dispositivo personalizado para el cultivo celular activo.

Preparación de monodominio de cristal líquido elastómeros y elastómeros de cristal líquido nanocompuestos

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

El objetivo general de este procedimiento es preparar elastómeros de cristal líquido y nanocompuestos alineados y sensibles a la forma. Los elastómeros de cristal líquido son materiales que responden a estímulos, cambiando de forma en respuesta a estímulos del entorno. Y pueden utilizarse en diversas aplicaciones, como la ingeniería de tejidos, donde se sabe que las células responden a tensiones y deformaciones en el entorno.En este procedimiento que vamos a demostrar, utilizamos materiales de bajo costo. El método que mostramos es confiable y puede implementarse en cualquier laboratorio sin necesidad de equipos costosos o especializados. Estos materiales pueden aplicarse al desarrollo de láminas de células cardíacas, en las que se sabe que los esfuerzos y deformaciones pueden afectar la diferenciación, la maduración y la función de las células musculares cardíacas.La demostración visual de este procedimiento es importante porque el proceso puede ser difícil de aprender y las muestras especialmente delicadas al colgarlas, cargarlas y entrecruzarlas. Por ello, la demostración del procedimiento estará a cargo de Hojin Kim, Bohan Zhu y Huiying Chen, estudiantes de nuestro laboratorio y del Laboratorio Jeff Jaycot. Comience mezclando 166,23 miligramos de un mesógeno reactivo, 40 miligramos de siloxano y 12,8 miligramos de entrecruzador con 0,6 mililitros de tolueno anhidro en un vial pequeño que contenga una barra de agitación.Agite la solución a 35 grados Celsius durante 25 minutos para que los reactivos se disuelvan completamente. En un vial aparte, prepare una solución al uno por ciento en peso de un catalizador de platino en diclorometano. Luego, agregue 30 microlitros de la solución de catalizador a la solución previamente preparada y agite la mezcla con la barra de agitación.A continuación, vierta la solución en un molde rectangular de politetrafluoroetileno hecho a medida. Cubra el molde ligeramente con una lámina de vidrio y colóquelo en un horno a 60 grados Celsius durante 30 minutos. Agite el molde periódicamente para eliminar las burbujas durante los primeros 15 minutos.Retire el molde del horno y enfríelo rápidamente con nitrógeno líquido vertiendo nitrógeno líquido en un recipiente pequeño y poniendo la base del molde de PTFE en contacto con el nitrógeno líquido durante 2 segundos. Una vez que la mezcla se haya enfriado, coloque una lámina de PTFE y use una espátula metálica para retirar cuidadosamente el elastómero del molde y colocarlo encima de la lámina. A continuación, use una cuchilla de afeitar para recortar los bordes del elastómero de cristal líquido y córtelo longitudinalmente en tres piezas de tamaño igual.Cuelgue cada pieza de una varilla horizontal y sujete el elastómero en su lugar utilizando cinta adhesiva. Agregue un clip de papel a la vez al extremo de los elastómeros en incrementos de 10 minutos. Deje colgando durante siete días a temperatura ambiente y observe cualquier cambio en la longitud o uniformidad.Deseche cualquier muestra que se rompa o rasgue. Para preparar un nanocompuesto elastomérico de cristal líquido con respuesta eléctrica, agregue 4.38 miligramos de nanopartículas de negro de carbono a la solución de reacción que contiene el mesógeno reactivo, el agente de reticulación y el siloxano. Durante el paso de suspensión en la fabricación, utilice un total de cinco sujetapapeles en lugar de 10 para cargar la muestra.Agregue nanopartículas adicionales de negro de carbono a la superficie del elastómero de cristal líquido. Prepare una solución al 1% peso por volumen de nanopartículas de negro de carbono en tolueno. Someta la solución a sonicación durante 20 minutos para dispersar las nanopartículas de carbono y luego vierta la dispersión en una placa de Petri.Luego, sumerja los elastómeros de cristal líquido en la dispersión de nanopartículas durante seis horas. Una vez retirados de la solución, utilice la pipeta para extraer el exceso de solución de la placa de Petri y deje que el elastómero se seque al aire. Limpie suavemente las partículas de carbono en exceso de la superficie utilizando cinta adhesiva o un hisopo de algodón.Para preparar elastómeros de cristal líquido reversibles basados en epoxi, mezcle 246,15 miligramos de diglicidil diiloxi bifenilo cuatro cuatro prima, 101 miligramos de ácido sebácico, 71,6 miligramos de ácido hexadecanodioico y 76 miligramos de PDMS terminado en carboxidecilo en el molde rectangular de PTFE. Caliente las muestras colocándolas sobre una placa calefactora a 180 grados Celsius. Luego, agregue 11,48 miligramos de catalizador y utilice pinzas metálicas precalentadas a 180 grados Celsius para agitar la mezcla.Continúe agitando la mezcla periódicamente para eliminar las burbujas generadas por la reacción. Deje que la mezcla reaccione durante aproximadamente 20 minutos. Una vez que se haya gelificado, retire el recipiente de PTFE de la placa calefactora y deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente.Luego, utilice una cuchilla de afeitar para separar el elastómero del molde de PTFE. A continuación, coloque dos láminas de PTFE en una prensa de polímeros a 180 grados Celsius. Coloque el elastómero entre las láminas de PTFE y comprima la muestra hasta un espesor de 0,3 a 0,5 milímetros.Continúe calentando el elastómero a 180 grados Celsius durante cuatro horas. Después de cuatro horas, retire la muestra y enfríela hasta la temperatura ambiente. Luego, corte la muestra en piezas rectangulares de 2,5 centímetros de longitud y 0,5 centímetros de ancho.Cuelgue la muestra por un extremo utilizando cinta de poliamida dentro de un horno de calentamiento. Sujete 12 sujetapapeles con un peso total de 8,88 gramos al extremo libre de la muestra. Luego, ajuste la temperatura del horno a 165 grados Celsius y caliente las muestras durante toda la noche.Retire el elastómero del horno y observe el cambio en longitud. A continuación, caliente la muestra a 80 grados Celsius en una placa calefactora para eliminar el estrés residual, luego enfríe nuevamente a temperatura ambiente. Mida la deformación reversible colocando las muestras en una placa calefactora y calentando la placa nuevamente hasta 120 grados Celsius.Imaginar la muestra a temperatura ambiente después de calentarla a 120 grados Celsius y después de enfriarla nuevamente a temperatura ambiente. Utilice las imágenes para medir la longitud de la muestra en cada paso. Para mediciones termomecánicas, use una cuchilla de afeitar para cortar manualmente las muestras a dimensiones de dos centímetros por 0,3 centímetros y sujételas cuidadosamente, una a la vez, entre las abrazaderas de tracción.Aplique una fuerza de un milinewton a la muestra para eliminar primero cualquier holgura. Luego, equilibre térmicamente las muestras a 30 grados Celsius, seguido de ciclos de calentamiento y enfriamiento. Caliente la muestra a cinco grados Celsius por minuto desde 30 grados Celsius hasta 120 grados Celsius.Registre los cambios en la longitud y el ancho de la muestra durante el cambio de temperatura. Somete una superficie de nanocompuestos de elastómero de cristal líquido a plasma de oxígeno durante 30 segundos. Luego, aplique por centrifugación 300 microlitros de una solución al 1% peso por volumen de poliestireno en tolueno a 3.300 rpm durante un minuto sobre la superficie limpiada con plasma.Seque el elastómero bajo vacío durante 12 horas para eliminar el tolueno. Luego trate la superficie recubierta con poliestireno del nanocompósito de LCE mediante plasma de oxígeno durante 30 segundos. Estérilice los nanocompósitos de elastómero tratados con plasma en etanol al 70 % durante 30 minutos.Luego, lavarlos con solución salina tamponada con fosfato. Transferir los nanocompuestos de elastómero lavados a una placa de Petri seca con la cara recubierta de poliestireno orientada hacia arriba. A continuación, añadir cinco mililitros de solución de colágeno tipo I a la placa e incubar las muestras en la solución de colágeno para recubrir toda su superficie.Luego, cubra las muestras e incúbelas a 37 grados Celsius y 5% de dióxido de carbono durante al menos 30 minutos. Siembre cardiomiocitos ventriculares de rata neonatal aislados sobre los sustratos a una densidad de 100.000 a 600.000 células por centímetro cuadrado. Cultive las células según se describe en el protocolo de texto adjunto.Una vez que las células se hayan adherido firmemente, transfiera los nanocompuestos de elastómero de cristal líquido sembrados a un recipiente personalizado impreso en 3D. A continuación, inserte una pieza rectangular de plást combustible a través de las muescas en el recipiente 3D para sostener el elastómero de cristal líquido en su lugar en uno o ambos extremos. Coloque la muestra a través de las varillas de carbono y fíjela en un extremo para garantizar un buen contacto eléctrico.Asegúrese de que el recipiente esté lleno con medio de mantenimiento de cultivo celular y esté equipado con varillas conductoras de carbono paralelas conectadas a una fuente eléctrica. Estimule eléctricamente los elastómeros de cristal líquido con un potencial eléctrico de corriente alterna de 40 voltios, que tenga un tiempo de encendido y apagado de cinco segundos durante un total de 24 horas. Los elastómeros de cristal líquido se contraen y alargan reversiblemente cuando se calientan desde la temperatura ambiente hasta por encima de la temperatura de transición de nemático a isotrópico, aproximadamente 80 grados Celsius.El análisis mecánico dinámico proporciona una medida cuantitativa del cambio de forma del elastómero de cristal líquido en función de la temperatura. La muestra descrita por la gráfica que se muestra aquí fue calentada y enfriada durante cuatro ciclos. Una vez calentada, las muestras muestran un acortamiento de aproximadamente el 35 % en la dirección en la que fueron colgadas durante su fabricación.La muestra también se expande entre un 25 y un 30 % en la dirección perpendicular. Los nanocompuestos de elastómero de cristal líquido se contraen al aplicar un potencial eléctrico. Cuando se exponen a 40 voltios de corriente alterna, los nanocompuestos de elastómero de cristal líquido se acortan aproximadamente un 22 1/2 % en la dirección en la que fueron colgados durante su fabricación.Aquí, las muestras se expusieron a un ciclo de encendido y apagado cada 15 segundos. Así, una vez dominado el procedimiento, puede completarse en dos horas y toda la síntesis finalizará después de una semana de haber colgado la muestra. Al intentar este procedimiento, es importante que recuerde colgar el LC con la cantidad correcta de peso.De lo contrario, podría no alinear adecuadamente la muestra o romperla durante la fabricación. Siguiendo este procedimiento, puede añadir otros tipos de aditivos al LCE, como nanotubos de carbono, para comprender qué respuesta a estímulos podría tener. Esperamos que esta investigación allane el camino para que biólogos e ingenieros bioingenieros diseñen sustratos sensibles que permitan investigar el efecto del estrés y la deformación sobre el crecimiento celular, la alineación celular y el comportamiento celular.Después de ver este video, debería tener una comprensión clara de cómo fabricar elastómeros de cristal líquido y nanocompuestos de elastómeros de cristal líquido alineados y sensibles a la forma.

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Bioengineering

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