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

El objetivo general de este procedimiento es preparar elastómeros de cristal líquido y nanocompuestos alineados y sensibles a la forma. Por lo tanto, los elastómeros de cristal líquido son materiales que responden a los estímulos y cambian de forma en respuesta a los estímulos del entorno. Y se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, como la ingeniería de tejidos, donde sabemos que las células responden a las tensiones y tensiones del medio ambiente.

En este procedimiento que vamos a demostrar, nos basamos en materiales que son de bajo costo. El método que demostramos es confiable y se puede implementar en cualquier laboratorio sin la necesidad de equipos costosos o especializados. Estos materiales se pueden aplicar al desarrollo de láminas de células cardíacas, donde sabemos que las tensiones y las tensiones pueden afectar la diferenciación, la maduración y la función de las células del músculo cardíaco.

La demostración visual de este procedimiento es importante porque el proceso puede ser difícil de aprender y las muestras especialmente delicadas cuando las estamos colgando, cargando y reticulando. Así, demostrando el procedimiento estarán Hojin Kim, Bohan Zhu y Huiying Chen, estudiantes de nuestro laboratorio y del Laboratorio Jeff Jaycot. Comience combinando 166,23 miligramos de un mesógeno reactivo, 40 miligramos de siloxano y 12,8 miligramos de reticulante con 0,6 mililitros de tolueno anhidro en un pequeño vial cargado con una barra agitadora.

Agite la solución a 35 grados centígrados durante 25 minutos para que los reactivos se disuelvan por completo. En un vial separado, prepare una solución al uno por ciento de un catalizador de platino en diclorometano. A continuación, añade 30 microlitros de la solución catalizadora a la solución previamente preparada y remueve la mezcla con la barra agitadora.

A continuación, vierta la solución en un molde rectangular de politetrafluoroetileno hecho a medida. Cubra el molde sin apretar con un portaobjetos de vidrio y colóquelo en un horno a 60 grados centígrados durante 30 minutos. Agita 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 entrando en contacto con el fondo del molde de PTFE con el nitrógeno líquido durante 2 segundos. Una vez que la mezcla se haya enfriado, coloque una lámina de PTFE y use una espátula de metal para quitar con cuidado el elastómero del molde y colóquelo encima de la lámina. A continuación, utiliza una cuchilla de afeitar para recortar los bordes del elastómero de cristal líquido y córtalo a lo largo de su longitud en tres piezas del mismo tamaño.

Cuelgue cada pieza a una varilla horizontal y sostenga el elastómero en su lugar con cinta adhesiva. Agregue un clip a la vez hasta el extremo de los elastómeros en incrementos de 10 minutos. Déjelos colgar durante siete días a temperatura ambiente y observe cualquier cambio en la longitud o uniformidad.

Deseche cualquier muestra que se rompa o se rompa. Para preparar un nanocompuesto de elastómero de cristal líquido que responda a la electricidad, agregue 4,38 miligramos de nanopartículas de negro de humo a la solución de reacción que contiene el mesógeno reactivo, el reticulante y el siloxano. Durante el paso de colgar de la fabricación, utilice un total de cinco clips en lugar de 10 para cargar la muestra.

Agregue nanopartículas adicionales de negro de humo a la superficie del elastómero de cristal líquido. Prepare una solución de 1% de peso por volumen de nanopartículas de negro de humo en tolueno. Sonicar la solución durante 20 minutos para dispersar las nanopartículas de carbono y luego verter la dispersión en una placa de Petri.

A continuación, sumerja los elastómeros de cristal líquido en la dispersión de nanopartículas durante seis horas. Una vez retirado de la solución, utilice la pipeta para retirar el exceso de solución de la placa de Petri y dejar que el elastómero se seque al aire. Limpie suavemente el exceso de partículas de carbón en la superficie con cinta adhesiva o un hisopo de algodón.

Para preparar elastómeros de cristal líquido reversibles a base de epoxi, mezcle 246,15 miligramos de cuatro bifenilos diloxidilo diloxil de cuatro primos, 101 miligramos de ácido sebácico, 71,6 miligramos de ácido hexadecanedioico y 76 miligramos de PDMS terminado en carboxidecilo en el molde rectangular de PTFE. Calentar las muestras colocándolas en una placa calefactora a 180 grados centígrados. Luego, agregue 11,48 miligramos de catalizador y use pinzas de metal precalentadas a 180 grados Celsius para remover la mezcla.

Continúe revolviendo la mezcla periódicamente para eliminar las burbujas generadas por la reacción. Continúe haciendo reaccionar la mezcla durante aproximadamente 20 minutos. Una vez gelificado, retire el bote de PTFE de la placa calefactora y deje que la mezcla se enfríe a temperatura ambiente.

Luego, use una hoja de afeitar para separar el elastómero del molde de PTFE. A continuación, coloque dos láminas de PTFE en una prensa de polímero a 180 grados centígrados. Coloque el elastómero entre las láminas de PTFE y comprima la muestra hasta un grosor de 0,3 a 0,5 milímetros.

Continúe calentando el elastómero a 180 grados centígrados durante cuatro horas. Después de cuatro horas, retire la muestra y enfríela a temperatura ambiente. A continuación, corta la muestra en trozos rectangulares de 2,5 centímetros de largo y 0,5 centímetros de ancho.

Cuelgue la muestra en un extremo con cinta adhesiva de poliimida dentro de un horno de calentamiento. Coloque 12 clips con un peso total de 8,88 gramos en el extremo libre de la muestra. Luego ajuste la temperatura del horno a 165 grados centígrados y caliente las muestras durante la noche.

Retire el elastómero del horno y observe el cambio de longitud. A continuación, caliente la muestra a 80 grados centígrados en una placa calefactora para eliminar la tensión residual, luego enfríe a temperatura ambiente. Mida la deformación reversible colocando las muestras en una placa calefactora y calentando la placa hasta 120 grados centígrados.

Imagine la muestra a temperatura ambiente después de calentarla a 120 grados centígrados y después de enfriarla 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 muestras a dimensiones de dos centímetros por 0,3 centímetros y fíjelas cuidadosamente, una a la vez, entre las abrazaderas de tensión.

Aplique una fuerza de un milinewton a la muestra para eliminar primero cualquier holgura. A continuación, equilibrar térmicamente las muestras a 30 grados centígrados, seguido de ciclos de calentamiento y enfriamiento. Calentar la muestra a cinco grados centígrados por minuto desde 30 grados centígrados hasta 120 grados centígrados.

Registre los cambios en la longitud y el ancho de la muestra durante el cambio de temperatura. Trate una superficie de nanocompuestos de elastómero de cristal líquido bajo plasma de oxígeno durante 30 segundos. A continuación, centrifugar 300 microlitros de una solución de poliestireno en tolueno del 1% de peso por volumen a 3.300 rpm durante un minuto sobre la superficie limpiada con plasma.

Seque el elastómero al vacío durante 12 horas para eliminar el tolueno. Y luego trate la superficie recubierta de poliestireno del nanocompuesto LCE usando plasma de oxígeno durante 30 segundos. Esterilizar los nanocompuestos de elastómero tratados con plasma en etanol al 70% durante 30 minutos.

Y luego lávelos con solución salina tamponada con fosfato. Transfiera los nanocompuestos de elastómero lavados a una placa de Petri seca con un lado recubierto de poliestireno hacia arriba. A continuación, agregue cinco mililitros de solución de colágeno tipo uno a un plato y cubra toda la superficie de las muestras sumergiéndolas en la solución de colágeno.

Luego, cubra las muestras e incube a 37 grados centígrados y 5% de dióxido de carbono durante al menos 30 minutos. Placa de cardiomiocitos ventriculares neonatos de rata aislada sobre los sustratos a una densidad de 100.000 a 600.000 células por centímetro cuadrado. Cultive las células como 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 de plástico rectangular a través de las muescas del recipiente 3D para mantener 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 asegurar un buen contacto eléctrico.

Asegúrese de que el recipiente esté lleno de medios de mantenimiento de cultivo celular y esté equipado con varillas de carbono conductoras paralelas conectadas a una fuente eléctrica. Estimula eléctricamente elastómeros de cristal líquido con un potencial eléctrico de CA de 40 voltios, que tiene un tiempo de encendido y apagado de cinco segundos durante un total de 24 horas. Los elastómeros de cristal líquido se contraen y alargan de forma reversible cuando se calientan desde la temperatura ambiente hasta por encima de la temperatura de transición nemática a isotrópica, 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 el gráfico que se muestra aquí se calentó y enfrió a través de cuatro ciclos. Una vez calentadas, las muestras muestran un acortamiento de aproximadamente el 35% en la dirección en que se colgaron durante la 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 mediante la aplicación de un potencial eléctrico. Cuando se exponen a una corriente alterna de 40 voltios, los nanocompuestos de elastómero de cristal líquido se acortan aproximadamente un 22 1/2% en la dirección en que se colgaron durante la fabricación.

Aquí, las muestras se expusieron a un ciclo de encendido y apagado cada 15 segundos. Entonces, una vez que se domina el procedimiento, se puede completar en dos horas y toda la síntesis se completará después de una semana después de colgar la muestra. Al intentar este procedimiento, es importante que recuerde colgar el LC con la cantidad correcta de peso.

De lo contrario, es posible que no alinee la muestra correctamente o que se rompa durante la fabricación. Siguiendo este procedimiento, se pueden añadir otros tipos de aditivos al LCE como nanotubos de carbono para entender qué estímulos puede responder. Esperamos que esta investigación allane el camino para que los biólogos y bioingenieros den forma a sustratos sensibles para investigar el efecto del estrés y la tensión en el crecimiento celular, la alineación celular y el comportamiento celular.

Entonces, después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer elastómeros de cristal líquido alineados y sensibles a la forma y nanocompuestos de elastómero de cristal líquido.