Préparation de monodomaine à cristaux liquides élastomères et élastomères cristaux liquides nanocomposites

L'objectif général de cette procédure est de préparer des élastomères cristallins liquides et des nanocomposites alignés et sensibles à la forme. Les élastomères cristallins liquides sont des matériaux sensibles aux stimuli, capables de modifier leur forme en réponse à des stimuli environnementaux. Ils peuvent être utilisés dans diverses applications, telles que le génie tissulaire, domaine dans lequel on sait que les cellules réagissent aux contraintes et déformations présentes dans leur environnement.

Dans cette procédure que nous allons démontrer, nous utilisons des matériaux peu coûteux. La méthode que nous présentons est fiable et peut être mise en œuvre dans n'importe quel laboratoire sans nécessiter d'équipement coûteux ou spécialisé. Ces matériaux peuvent être appliqués au développement de feuillets cellulaires cardiaques, sachant que les contraintes et les déformations peuvent influencer la différenciation, la maturation et la fonction des cellules musculaires cardiaques.

La démonstration visuelle de cette procédure est importante car son apprentissage peut s'avérer difficile et les échantillons particulièrement délicats lorsqu'on les manipule, charge et réticule. La démonstration de la procédure sera donc réalisée par Hojin Kim, Bohan Zhu et Huiying Chen, étudiants de notre laboratoire et du laboratoire de Jeff Jaycot. Commencez par mélanger 166,23 milligrammes d'un mésogène réactif, 40 milligrammes de siloxane et 12,8 milligrammes d'agent de réticulation avec 0,6 millilitre de toluène anhydre dans un petit flacon contenant une barrette d'agitation.

Agiter la solution à 35 degrés Celsius pendant 25 minutes afin que les réactifs se dissolvent complètement. Dans un autre flacon, préparer une solution à un pour cent en poids d’un catalyseur de platine dans du dichlorométhane. Ensuite, ajouter 30 microlitres de la solution de catalyseur à la solution préparée précédemment et agiter le mélange à l’aide d’un barreau aimanté.

Ensuite, versez la solution dans un moule rectangulaire en polytétrafluoroéthylène sur mesure. Recouvrez le moule légèrement avec une lame de verre et placez-le dans un four à 60 degrés Celsius pendant 30 minutes. Secouez le moule périodiquement pour éliminer les bulles durant les 15 premières minutes.

Retirez le moule du four et refroidissez-le rapidement à l’aide d’azote liquide en versant l’azote liquide dans un petit récipient et en mettant le fond du moule en PTFE en contact avec l’azote liquide pendant 2 secondes. Une fois le mélange refroidi, posez une feuille de PTFE et utilisez une spatule métallique pour retirer délicatement l’élastomère du moule et le placer sur la feuille. Ensuite, utilisez une lame de rasoir pour parfaire les bords de l’élastomère liquide cristallin et le découper en longueur en trois morceaux de taille égale.

Accrochez chaque morceau à une tige horizontale et maintenez l'élastomère en place à l'aide de ruban adhésif. Ajoutez un trombone à la fois à l'extrémité des élastomères par incréments de 10 minutes. Laissez-les pendre pendant sept jours à température ambiante et notez tout changement de longueur ou d'uniformité.

Jetez tout échantillon qui se déchire ou se brise. Pour préparer un nanocomposite élastomère à cristaux liquides électro-réactif, ajoutez 4,38 milligrammes de nanoparticules de noir de carbone à la solution réactionnelle contenant le mésogène réactif, l'agent de réticulation et le siloxane. Pendant l'étape de suspension de la fabrication, utilisez un total de cinq trombones au lieu de 10 pour charger l'échantillon.

Ajoutez des nanoparticules de noir de carbone supplémentaires à la surface de l'élastomère cristallin liquide. Préparez une solution à 1 % en poids par volume de nanoparticules de noir de carbone dans le toluène. Soniquez la solution pendant 20 minutes afin de disperser les nanoparticules de carbone, puis versez la dispersion dans une boîte de Pétri.

Plongez ensuite les élastomères de cristaux liquides dans la dispersion de nanoparticules pendant six heures. Une fois retirés de la solution, utilisez la pipette pour éliminer l'excès de solution de la boîte de Pétri et laissez l'élastomère sécher à l'air. Nettoyez délicatement les particules de carbone excédentaires présentes à la surface à l’aide d’un ruban adhésif ou d’un coton-tige.

Pour préparer des élastomères liquides cristallins réversibles à base d'époxy, mélanger 246,15 milligrammes de diglycidyl dioxybiphényle, 101 milligrammes d'acide sébacique, 71,6 milligrammes d'acide hexadécandioïque et 76 milligrammes de PDMS terminé par un groupe carboxydécylique dans un moule rectangulaire en PTFE. Chauffer les échantillons en les plaçant sur un bloc chauffant à 180 degrés Celsius. Ensuite, ajouter 11,48 milligrammes de catalyseur et utiliser des pinces en métal préchauffées à 180 degrés Celsius pour agiter le mélange.

Continuer à agiter le mélange périodiquement afin d'éliminer les bulles produites par la réaction. Laisser réagir le mélange pendant environ 20 minutes. Une fois gélifié, retirer le creuset en PTFE de la plaque chauffante et laisser refroidir le mélange à température ambiante.

Ensuite, utilisez une lame de rasoir pour séparer l'élastomère du moule en PTFE. Puis, placez deux feuilles de PTFE dans une presse à polymères à 180 degrés Celsius. Insérez l'élastomère entre les feuilles de PTFE et comprimez l'échantillon jusqu'à une épaisseur de 0,3 à 0,5 millimètre.

Continuer à chauffer l'élastomère à 180 degrés Celsius pendant quatre heures. Après quatre heures, retirer l'échantillon et le refroidir à température ambiante. Ensuite, découper l'échantillon en morceaux rectangulaires de 2,5 centimètres de longueur et de 0,5 centimètre de largeur.

Accrochez l'échantillon à une extrémité à l'aide de ruban en polyimide à l'intérieur d'un four chauffant. Fixez 12 trombones d'un poids total de 8,88 grammes à l'extrémité libre de l'échantillon. Réglez ensuite la température du four à 165 degrés Celsius et faites chauffer les échantillons toute la nuit.

Retirer l'élastomère du four et noter le changement de longueur. Ensuite, chauffer l'échantillon à 80 degrés Celsius sur un bloc chauffant pour éliminer les contraintes résiduelles, puis refroidir à nouveau à température ambiante. Mesurer la déformation réversible en plaçant les échantillons sur un bloc chauffant et en chauffant à nouveau le bloc jusqu'à 120 degrés Celsius.

Imager l'échantillon à température ambiante après chauffage à 120 degrés Celsius et après refroidissement jusqu'à la température ambiante. Utiliser les images pour mesurer la longueur de l'échantillon à chaque étape. Pour les mesures thermomécaniques, utiliser une lame de rasoir pour découper manuellement les échantillons selon des dimensions de deux centimètres sur 0,3 centimètre et les fixer soigneusement, un par un, entre les pinces de traction.

Appliquer une force d'un millinewton sur l'échantillon afin d'éliminer d'abord tout jeu. Ensuite, équilibrer thermiquement les échantillons à 30 degrés Celsius, suivis de cycles de chauffage et de refroidissement. Chauffer l'échantillon à raison de cinq degrés Celsius par minute, de 30 degrés Celsius jusqu'à 120 degrés Celsius.

Enregistrez les variations de longueur et de largeur de l'échantillon pendant le changement de température. Traitez une surface de nanocomposites élastomères à cristaux liquides au plasma d'oxygène pendant 30 secondes. Ensuite, déposez par centrifugation 300 microlitres d'une solution à 1 % en poids par volume de polystyrène dans le toluène à 3 300 tr/min pendant une minute sur la surface traitée au plasma.

Séchez l'élastomère sous vide pendant 12 heures afin d'éliminer le toluène. Ensuite, traitez la surface recouverte de polystyrène du nanocomposite LCE par un plasma d'oxygène pendant 30 secondes. Stérilisez les nanocomposites d'élastomère traités au plasma dans de l'éthanol à 70 % pendant 30 minutes.

Ensuite, lavez-les avec une solution saline tamponnée au phosphate. Transférez les nanocomposites en élastomère lavés dans une boîte de Pétri sèche, avec la face recouverte de polystyrène orientée vers le haut. Ajoutez ensuite cinq millilitres de solution de collagène de type I dans une boîte et recouvrez entièrement la surface des échantillons en les immergeant dans la solution de collagène.

Ensuite, couvrez les échantillons et incubez-les à 37 degrés Celsius et 5 % de dioxyde de carbone pendant au moins 30 minutes. Ensemencez les cardiomyocytes ventriculaires de rat néonatal isolés sur les substrats à une densité de 100 000 à 600 000 cellules par centimètre carré. Cultivez les cellules comme décrit dans le protocole de texte accompagnant.

Une fois que les cellules se sont fermement fixées, transférez les nanocomposites élastomères cristallins liquides ensemencés dans un récipient personnalisé imprimé en 3D. Ensuite, insérez un morceau de plastique rectangulaire à travers les encoches du récipient 3D pour maintenir l'élastomère cristallin liquide en place à une ou deux extrémités. Placez l'échantillon en travers des tiges en carbone et fixez-le à une extrémité afin d'assurer un bon contact électrique.

Veillez à ce que le récipient soit rempli de milieu de maintien de culture cellulaire et équipé de tiges conductrices en carbone parallèles reliées à une source électrique. Stimulez électriquement les élastomères cristallins liquides avec un potentiel électrique alternatif de 40 volts, ayant un cycle marche-arrêt de cinq secondes, pendant un total de 24 heures. Les élastomères cristallins liquides se contractent et s’allongent de manière réversible lorsqu’ils sont chauffés de la température ambiante à une température supérieure à celle de la transition nématique vers isotrope, environ 80 degrés Celsius.

L'analyse mécanique dynamique fournit une mesure quantitative du changement de forme des élastomères cristallins liquides en fonction de la température. L'échantillon décrit par le graphique présenté ici a été chauffé et refroidi sur quatre cycles. Une fois chauffés, les échantillons présentent un raccourcissement d'environ 35 % dans la direction dans laquelle ils ont été suspendus lors de leur fabrication.

L'échantillon s'étend également de 25 à 30 % dans la direction perpendiculaire. Les nanocomposites élastomères à cristaux liquides se contractent lorsqu'un potentiel électrique est appliqué. Lorsqu'ils sont exposés à un courant alternatif de 40 volts, les nanocomposites élastomères à cristaux liquides se raccourcissent d'environ 22 1/2 % dans la direction selon laquelle ils ont été suspendus pendant leur fabrication.

Ici, les échantillons ont été exposés à un cycle marche-arrêt toutes les 15 secondes. Ainsi, une fois la procédure maîtrisée, elle peut être réalisée en deux heures et l'ensemble de la synthèse sera terminé une semaine après la suspension de l'échantillon. Lors de l'exécution de cette procédure, il est important de ne pas oublier de suspendre le LC avec la masse correcte.

Sinon, vous risquez de ne pas aligner correctement l'échantillon ou de le casser pendant la fabrication. En suivant cette procédure, vous pouvez ajouter d'autres types d'additifs aux ECL, comme des nanotubes de carbone, afin de comprendre quelles réponses aux stimuli ils pourraient présenter. Nous espérons que cette recherche ouvrira la voie aux biologistes et aux bioingénieurs pour façonner des substrats sensibles afin d'étudier l'effet des contraintes mécaniques et des déformations sur la croissance cellulaire, l'alignement cellulaire et le comportement cellulaire.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication d'élastomères cristallins liquides alignés et sensibles à la forme, ainsi que de nanocomposites à base d'élastomères cristallins liquides.