Preparazione di Monodomain Liquid Crystal Elastomeri e cristallo elastomero Nanocompositi Liquid

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di preparare elastomeri a cristalli liquidi e nanocompositi allineati e sensibili alla forma. Quindi gli elastomeri a cristalli liquidi sono materiali sensibili agli stimoli che cambiano forma in risposta agli stimoli nell'ambiente. E possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, come l'ingegneria tissutale, dove sappiamo che le cellule rispondono a stress e tensioni nell'ambiente.

In questa procedura che stiamo per dimostrare, ci affidiamo a materiali a basso costo. Il metodo che dimostriamo è affidabile e può essere implementato in qualsiasi laboratorio senza la necessità di attrezzature costose o specializzate. Questi materiali possono essere applicati allo sviluppo di fogli di cellule cardiache, dove sappiamo che stress e tensioni possono influenzare la differenziazione, la maturazione e la funzione delle cellule muscolari cardiache.

La dimostrazione visiva di questa procedura è importante perché il processo può essere difficile da imparare e i campioni particolarmente delicati quando li appendiamo, li carichiamo e li reticoliamo. Quindi, a dimostrare la procedura saranno Hojin Kim, Bohan Zhu e Huiying Chen, studenti del nostro laboratorio e del Jeff Jaycot Laboratory. Iniziare combinando 166,23 milligrammi di un mesogeno reattivo, 40 milligrammi di silossano e 12,8 milligrammi di reticolante con 0,6 millilitri di toluene anidro in una piccola fiala caricata con una barra di agitazione.

Mescolare la soluzione a 35 gradi Celsius per 25 minuti affinché i reagenti si dissolvano completamente. In un flaconcino separato, preparare una soluzione all'uno per cento in peso di un catalizzatore di platino in diclorometano. Quindi, aggiungere 30 microlitri della soluzione del catalizzatore alla soluzione precedentemente preparata e mescolare la miscela con l'ancoretta di agitazione.

Quindi, versare la soluzione in uno stampo rettangolare in politetrafluoroetilene realizzato su misura. Coprite lo stampo senza stringere con uno scivolo di vetro e mettetelo in forno a 60 gradi per 30 minuti. Agitare periodicamente lo stampo per eliminare le bolle durante i primi 15 minuti.

Togliete lo stampo dal forno e raffreddatelo velocemente con azoto liquido versando l'azoto liquido in un piccolo contenitore e facendo contatto con il fondo dello stampo in PTFE con l'azoto liquido per 2 secondi. Una volta che la miscela si è raffreddata, stendere un foglio di PTFE e utilizzare una spatola metallica per rimuovere con cura l'elastomero dallo stampo e posizionarlo sopra il foglio. Quindi, usa una lama di rasoio per tagliare i bordi dell'elastomero a cristalli liquidi e taglialo lungo la sua lunghezza in tre pezzi di uguali dimensioni.

Appendere ogni pezzo a un'asta orizzontale e tenere l'elastomero in posizione con del nastro adesivo. Aggiungere una graffetta alla volta all'estremità degli elastomeri con incrementi di 10 minuti. Lasciarli appendere per sette giorni a temperatura ambiente e notare eventuali cambiamenti di lunghezza o uniformità.

Scartare qualsiasi campione che si strappa o si rompe. Per preparare un nanocomposito di elastomero a cristalli liquidi elettricamente reattivo, aggiungere 4,38 milligrammi di nanoparticelle di nerofumo alla soluzione di reazione contenente il mesogeno reattivo, il reticolante e il silossano. Durante la fase di sospensione della fabbricazione, utilizzare un totale di cinque graffette invece di 10 per caricare il campione.

Aggiungere ulteriori nanoparticelle di nerofumo alla superficie dell'elastomero a cristalli liquidi. Preparare una soluzione all'1% in peso per volume di nanoparticelle di nerofumo in toluene. Sonicare la soluzione per 20 minuti per disperdere le nanoparticelle di carbonio e poi versare la dispersione in una capsula di Petri.

Quindi immergere gli elastomeri a cristalli liquidi nella dispersione di nanoparticelle per sei ore. Una volta rimossa dalla soluzione, utilizzare la pipetta per prelevare la soluzione in eccesso dalla capsula di Petri e lasciare asciugare l'elastomero all'aria. Pulisci delicatamente le particelle di carbonio in eccesso sulla superficie usando del nastro adesivo o un batuffolo di cotone.

Per preparare elastomeri a cristalli liquidi reversibili a base epossidica, mescolare 246,15 milligrammi di quattro quattro diglicidil dilossifenile, 101 milligrammi di acido sebacico, 71,6 milligrammi di acido esadecanedioico e 76 milligrammi di PDMS con terminazione carbossidecilicica nello stampo rettangolare in PTFE. Riscaldare i campioni posizionandoli su una piastra riscaldante a 180 gradi Celsius. Quindi, aggiungi 11,48 milligrammi di catalizzatore e usa una pinzetta di metallo preriscaldata a 180 gradi Celsius per mescolare il composto.

Continuare a mescolare periodicamente il composto per eliminare le bolle generate dalla reazione. Continuare a far reagire la miscela per circa 20 minuti. Una volta gelificato, rimuovere la barchetta in PTFE dalla piastra riscaldante e lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente.

Quindi, utilizzare una lama di rasoio per separare l'elastomero dallo stampo in PTFE. Quindi, posizionare due fogli di PTFE in una pressa per polimeri a 180 gradi Celsius. Posizionare l'elastomero tra i fogli di PTFE e comprimere il campione a uno spessore compreso tra 0,3 e 0,5 millimetri.

Continuare a riscaldare l'elastomero a 180 gradi Celsius per quattro ore. Dopo quattro ore, rimuovere il campione e raffreddarlo a temperatura ambiente. Quindi, tagliare il campione in pezzi rettangolari, 2,5 centimetri di lunghezza e 0,5 centimetri di larghezza.

Appendere il campione a un'estremità utilizzando del nastro di poliimmide all'interno di un forno di riscaldamento. Attaccare 12 graffette con un peso totale di 8,88 grammi all'estremità libera del campione. Quindi impostare la temperatura del forno a 165 gradi Celsius e riscaldare i campioni durante la notte.

Togliere l'elastomero dal forno e notare la variazione di lunghezza. Quindi, riscaldare il campione a 80 gradi Celsius su una piastra riscaldante per rimuovere lo stress residuo, quindi raffreddare nuovamente a temperatura ambiente. Misurare la deformazione reversibile posizionando i campioni su una piastra riscaldante e riscaldando la piastra fino a 120 gradi Celsius.

Immagine del campione a temperatura ambiente dopo il riscaldamento a 120 gradi Celsius e dopo il raffreddamento a temperatura ambiente. Usa le immagini per misurare la lunghezza del campione ad ogni passaggio. Per le misurazioni termomeccaniche, utilizzare una lama di rasoio per tagliare manualmente i campioni a dimensioni di due centimetri per 0,3 centimetri e fissarli con cura, uno alla volta, tra i morsetti di tensione.

Applicare una forza di un millinewton al campione per rimuovere prima l'eventuale allentamento. Quindi, equilibrare termicamente i campioni a 30 gradi Celsius, seguiti da cicli di riscaldamento e raffreddamento. Riscaldare il campione a cinque gradi Celsius al minuto da 30 gradi Celsius fino a 120 gradi Celsius.

Registrare le variazioni della lunghezza e della larghezza del campione durante la variazione di temperatura. Trattare una superficie di nanocompositi di elastomeri a cristalli liquidi sotto plasma di ossigeno per 30 secondi. Quindi, centrifugare 300 microlitri di una soluzione all'1% in peso per volume di polistirene in toluene a 3.300 giri/min per un minuto sopra la superficie pulita al plasma.

Asciugare l'elastomero sotto vuoto per 12 ore per rimuovere il toluene. E poi trattare la superficie rivestita di polistirene del nanocomposito LCE utilizzando il plasma di ossigeno per 30 secondi. Sterilizzare i nanocompositi elastomerici trattati al plasma in etanolo al 70% per 30 minuti.

E poi lavarli con soluzione salina tamponata con fosfato. Trasferire i nanocompositi di elastomero lavati in una capsula di Petri asciutta con il lato rivestito di polistirene rivolto verso l'alto. Quindi, aggiungere cinque millilitri di soluzione di collagene di tipo uno a un piatto e rivestire l'intera superficie dei campioni immergendoli nella soluzione di collagene.

Quindi, coprire i campioni e incubarli a 37 gradi Celsius e 5% di anidride carbonica per almeno 30 minuti. Piastra di cardiomiociti ventricolari isolati di ratto neonatale sopra i substrati a una densità compresa tra 100.000 e 600.000 cellule per centimetro quadrato. Coltivare le cellule come descritto nel protocollo di testo allegato.

Una volta che le celle si sono attaccate saldamente, trasferisci i nanocompositi di elastomero a cristalli liquidi seminati in un recipiente personalizzato stampato in 3D. Quindi, inserire un pezzo di plastica rettangolare attraverso le tacche nel recipiente 3D per tenere l'elastomero a cristalli liquidi in posizione a una o entrambe le estremità. Posiziona il campione sulle aste di carbonio e fissalo su un'estremità per garantire un buon contatto elettrico.

Assicurarsi che il recipiente sia riempito con terreni di manutenzione per colture cellulari e sia dotato di barre di carbonio conduttive parallele collegate a una fonte elettrica. Stimola elettricamente elastomeri a cristalli liquidi con un potenziale elettrico di 40 volt A/C, che ha un tempo di accensione e spegnimento di cinque secondi per un totale di 24 ore. Gli elastomeri a cristalli liquidi si contraggono e si allungano in modo reversibile quando vengono riscaldati dalla temperatura ambiente a quella di transizione da nematica a isotropa, circa 80 gradi Celsius.

L'analisi meccanica dinamica fornisce una misura quantitativa del cambiamento di forma dell'elastomero a cristalli liquidi in funzione della temperatura. Il campione descritto dal grafico qui riportato è stato riscaldato e raffreddato attraverso quattro cicli. Una volta riscaldati, i campioni mostrano un accorciamento di circa il 35% nella direzione in cui sono stati appesi durante la fabbricazione.

Il campione si espande anche dal 25 al 30% in direzione perpendicolare. I nanocompositi di elastomeri a cristalli liquidi si contrattano sull'applicazione di un potenziale elettrico. Se esposti a 40 volt A/C, i nanocompositi di elastomeri a cristalli liquidi si accorciano di circa il 22 1/2% nella direzione in cui sono stati appesi durante la fabbricazione.

Qui, i campioni sono stati esposti a un ciclo di accensione e spegnimento ogni 15 secondi. Quindi, una volta padroneggiata la procedura, può essere completata in due ore e l'intera sintesi sarà completa dopo una settimana dall'appendere il campione. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di appendere la LC con la corretta quantità di peso.

In caso contrario, il campione potrebbe non essere allineato correttamente o romperlo durante la fabbricazione. Seguendo questa procedura, è possibile aggiungere altri tipi di additivi all'LCE, come i nanotubi di carbonio, per capire quale risposta agli stimoli può avere. Speriamo che questa ricerca apra la strada a biologi e bioingegneri per modellare substrati reattivi per studiare l'effetto dello stress e della tensione sulla crescita cellulare, l'allineamento cellulare e il comportamento cellulare.

Quindi, dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare elastomeri a cristalli liquidi allineati e reattivi alla forma e nanocompositi di elastomeri a cristalli liquidi.