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

L’objectif global de cette procédure est de préparer des élastomères et des nanocomposites à cristaux liquides alignés et adaptés à la forme. Les élastomères à cristaux liquides sont donc des matériaux réactifs aux stimuli qui changent de forme en réponse aux stimuli de l’environnement. Et ils peuvent être utilisés dans une variété d’applications, telles que l’ingénierie tissulaire, où nous savons que les cellules réagissent aux contraintes et aux contraintes de l’environnement.

Dans cette procédure que nous allons démontrer, nous nous appuyons sur des matériaux à faible coût. La méthode que nous démontrons est fiable et peut être mise en œuvre dans n’importe quel laboratoire sans avoir besoin d’équipement coûteux ou spécialisé. Ces matériaux peuvent être appliqués au développement de feuillets de cellules cardiaques, où nous savons que les contraintes et les déformations peuvent affecter la différenciation, la maturation et la fonction des cellules musculaires cardiaques.

La démonstration visuelle de cette procédure est importante car le processus peut être difficile à apprendre et les échantillons particulièrement délicats lorsque nous les suspendons, les chargeons et les réticulons. Ainsi, Hojin Kim, Bohan Zhu et Huiying Chen, étudiants de notre laboratoire et du Jeff Jaycot Laboratory, feront la démonstration de la procédure. Commencez par combiner 166,23 milligrammes d’un mésogène réactif, 40 milligrammes de siloxane et 12,8 milligrammes de réticulant avec 0,6 millilitre de toluène anhydre dans un petit flacon chargé d’une barre d’agitation.

Remuez la solution à 35 degrés Celsius pendant 25 minutes pour que les réactifs se dissolvent complètement. Dans un flacon séparé, préparer une solution à un pour cent en poids d’un catalyseur de platine dans du dichlorométhane. Ensuite, ajoutez 30 microlitres de la solution catalytique à la solution préalablement préparée et remuez le mélange avec la barre d’agitation.

Ensuite, versez la solution dans un moule rectangulaire en polytétrafluoroéthylène sur mesure. Couvrez le moule sans serrer 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 pendant les 15 premières minutes.

Sortez le moule du four et refroidissez-le rapidement avec de l’azote liquide en versant de l’azote liquide dans un petit récipient et en mettant en contact le fond du moule en PTFE avec l’azote liquide pendant 2 secondes. Une fois le mélange refroidi, déposez une feuille de PTFE et utilisez une spatule en métal pour retirer délicatement l’élastomère du moule et le placer sur la feuille. Ensuite, utilisez une lame de rasoir pour couper les bords de l’élastomère à cristaux liquides et coupez-le sur sa longueur en trois morceaux de taille égale.

Accrochez chaque pièce 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 suspendre 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 d’élastomère à cristaux liquides électriquement 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. Lors de 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 à cristaux liquides. Préparez une solution de 1 % en poids par volume de nanoparticules de noir de carbone dans du toluène. Soniquez la solution pendant 20 minutes pour disperser les nanoparticules de carbone, puis versez la dispersion dans une boîte de Pétri.

Ensuite, plongez les élastomères à cristaux liquides dans la dispersion de nanoparticules pendant six heures. Une fois retiré de la solution, utilisez la pipette pour retirer l’excès de solution de la boîte de Pétri et laissez l’élastomère sécher à l’air. Nettoyez délicatement l’excès de particules de carbone sur la surface à l’aide de ruban adhésif ou d’un coton-tige.

Pour préparer des élastomères à cristaux liquides réversibles à base d’époxy, mélangez 246,15 milligrammes de quatre diloxy biphényles diglycidyliques quatre premiers, 101 milligrammes d’acide sébacique, 71,6 milligrammes d’acide hexadécanédioïque et 76 milligrammes de PDMS à terminaison carboxydécyle dans le moule rectangulaire en PTFE. Chauffez les échantillons en les plaçant sur une plaque chauffante à 180 degrés Celsius. Ensuite, ajoutez 11,48 milligrammes de catalyseur et utilisez une pince à épiler en métal préchauffée à 180 degrés Celsius pour mélanger le mélange.

Continuez à remuer le mélange périodiquement pour éliminer les bulles générées par la réaction. Continuez à faire réagir le mélange pendant environ 20 minutes. Une fois gélifié, retirez le bateau en PTFE de la plaque chauffante et laissez le mélange refroidir à température ambiante.

Ensuite, utilisez une lame de rasoir pour séparer l’élastomère du moule en PTFE. Ensuite, placez deux feuilles de PTFE dans une presse à polymère à 180 degrés Celsius. Placez l’élastomère entre les feuilles de PTFE et comprimez l’échantillon sur une épaisseur de 0,3 à 0,5 millimètre.

Continuez à chauffer l’élastomère à 180 degrés Celsius pendant quatre heures. Après quatre heures, retirez l’échantillon et refroidissez-le à température ambiante. Ensuite, coupez l’échantillon en morceaux rectangulaires de 2,5 centimètres de longueur et 0,5 centimètres de largeur.

Suspendez l’échantillon à une extrémité à l’aide de ruban adhésif 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 chauffez les échantillons pendant la nuit.

Sortez l’élastomère du four et notez le changement de longueur. Ensuite, chauffez l’échantillon à 80 degrés Celsius sur une plaque chauffante pour éliminer les contraintes résiduelles, puis refroidissez-le à température ambiante. Mesurez la déformation réversible en plaçant les échantillons sur une plaque chauffante et en chauffant la plaque jusqu’à 120 degrés Celsius.

Imagez l’échantillon à température ambiante après l’avoir chauffé à 120 degrés Celsius et après l’avoir refroidi à température ambiante. Utilisez les images pour mesurer la longueur de l’échantillon à chaque étape. Pour les mesures thermomécaniques, utilisez une lame de rasoir pour couper manuellement des échantillons à des dimensions de deux centimètres sur 0,3 centimètre et fixez-les soigneusement, un à la fois, entre les pinces de tension.

Appliquez une force d’un millinewton à l’échantillon afin d’éliminer d’abord tout mou. Ensuite, équilibrez thermiquement les échantillons à 30 degrés Celsius, suivis de cycles de chauffage et de refroidissement. Chauffez l’échantillon à cinq degrés Celsius par minute de 30 degrés Celsius à 120 degrés Celsius.

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

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

Et puis lavez-les avec une solution saline tamponnée au phosphate. Transférez les nanocomposites d’élastomère lavés dans une boîte de Pétri sèche avec une face recouverte de polystyrène vers le haut. Ensuite, ajoutez cinq millilitres de solution de collagène de type 1 dans une boîte et enduisez toute 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. Isolez les cardiomyocytes ventriculaires du rat nouveau-né 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 d’accompagnement.

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

Assurez-vous que le récipient est rempli de milieux d’entretien de culture cellulaire et qu’il est équipé de tiges de carbone conductrices parallèles connectées à une source électrique. Stimulez électriquement les élastomères à cristaux liquides avec un potentiel électrique de 40 volts CA, qui ont un temps d’arrêt de cinq secondes pour un total de 24 heures. Les élastomères à cristaux liquides se contractent et s’allongent de manière réversible lorsqu’ils sont chauffés de la température ambiante à au-dessus de la température de transition nématique à isotrope, environ 80 degrés Celsius.

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

L’échantillon s’étend également de 25 à 30 % dans la direction perpendiculaire. Les nanocomposites d’élastomères à cristaux liquides se contractent lors de l’application d’un potentiel électrique. Lorsqu’ils sont exposés à 40 volts CA, les nanocomposites d’élastomère à cristaux liquides se raccourcissent d’environ 22 1/2 % dans la direction où ils ont été suspendus lors de la fabrication.

Ici, les échantillons ont été exposés à un cycle de marche et d’arrêt toutes les 15 secondes. Ainsi, une fois la procédure maîtrisée, elle peut être terminée en deux heures et la synthèse complète sera terminée au bout d’une semaine après l’accrochage de l’échantillon. Lors de cette procédure, il est important que vous n’oubliez pas de suspendre le LC avec la bonne quantité de poids.

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 au LCE, comme les nanotubes de carbone, pour comprendre quelle réponse aux stimuli il peut avoir. Nous espérons que cette recherche ouvrira la voie aux biologistes et aux bio-ingénieurs pour façonner des substrats réactifs afin d’étudier l’effet du stress et de la tension sur la croissance cellulaire, l’alignement cellulaire et le comportement cellulaire.

Ainsi, après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication d’élastomères à cristaux liquides alignés et réactifs à la forme et de nanocomposites d’élastomères à cristaux liquides.