Name: Preparazione di Monodomain Liquid Crystal Elastomeri e cristallo elastomero Nanocompositi Liquid (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 21 s
Description: Impara a preparare elastomeri a cristallo liquido e nanocompositi per applicazioni di ingegneria tessutale. Questo metodo a basso costo permette di creare substrati responsivi alla forma per colture cellulari attive.

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Questo lavoro è stato supportato dal Career Fondazione Nazionale (CBET-1.336.073 a RV), il Fondo di ricerca del petrolio ACS (52345-DN17 a RV), l&#39;American Heart Association (BGIA a JGJ), la National Science Foundation (CARRIERA CBET-1.055.942 a JGJ), il National Institutes of Health / National Heart, Lung and Blood Institute (1R21HL110330 a JGJ), Louis e pesche Owen e l&#39;ospedale dei bambini del Texas.

1. Sintesi di Aligned Polisilossano LCEs <ol><li> Combinare 166.23 mg di mesogeno reattiva (4-metossifenil 4- (3-butenyloxy) benzoato), 40 mg di poli (hydromethylsiloxane) e 12,8 mg di reticolante (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) 30 con 0,6 ml di anidra toluene in una piccola fiala (circa 13 mm di diametro e 100 mm di lunghezza) praticati con una barra di agitazione. Agitare la soluzione a 35 ° C per 25 minuti per sciogliere. </li><li> In una fiala separata, preparare una soluzione di 1% in peso dicloro (1,5-cicloottadiene) -platinum (II) di catalizzatore in diclorometano. Aggiungere 30 ml di soluzione di catalizzatore per i reagenti dal punto 1.1 tramite pipetta, mescolare per amalgamare e versare la soluzione in un (x 2 cm x 1 cm 3 cm) di stampo rettangolare politetrafluoroetilene (PTFE) su misura. Coprire lo stampo liberamente con un vetrino e mettere in forno di riscaldamento a 60 ° C per 30 min agitando periodicamente per rimuovere bolle durante i primi 15 min. </li><li> Rimuovere stampo dal forno di riscaldamento e cool con azoto liquido versando azoto liquido in un piccolo contenitore e contattando il fondo dello stampo PTFE con l&#39;azoto liquido per 2 sec. <ol><li> Una volta che il composto si è raffreddato, rimuovere con attenzione elastomero da stampo usando una spatola metallica e posto sopra un foglio di PTFE. Tagliare i bordi della LCE con una lama di rasoio e tagliare il LCE lungo la sua lunghezza in tre pezzi di dimensioni uguali (circa. Lunghezza 2,7 centimetri e 0,5 cm di larghezza). </li></ol></li><li> Appendere ogni pezzo a una estremità ad una barra orizzontale e allegare 10 graffette (4,4 g) all&#39;altra estremità della LCE. Tenere LCE in posizione con nastro e aggiungere graffette uno alla volta in incrementi di 10 min. Appendere LCE per 7 giorni a temperatura ambiente, rilevando variazioni di lunghezza e uniformità. Eliminare qualsiasi campione che strappa o si rompe. Rimuovere i campioni e conservare a temperatura ambiente. </li></ol> 2. Preparazione di nanocompositi elettricamente Responsive polisilossano LCE <ol><li> Per preparare nanocompositi LCE con nerofumo disperso attraverso lamassa del campione, prima ripetere i passaggi 1,1-1,4 sopra. Aggiungere 4,38 mg nanoparticelle di carbonio nero alla soluzione di reazione contenente reattiva mesogeno, reticolante, e silossano. Utilizzare un totale di 5 graffette invece di 10 per il carico. </li><li> Per aggiungere ulteriori nanoparticelle di carbonio nero sulla superficie LCE, preparare 1% w / v di carbonio nanoparticelle neri in toluene. Con ultrasuoni per 20 minuti per disperdere le nanoparticelle e poi versare la dispersione in una capsula di Petri. Immergere i LCEs dal punto 2.1 nella dispersione di nanoparticelle per 6 ore. </li><li> Dopo 6 ore, utilizzare una pipetta per prelevare la soluzione dalla piastra di Petri e consentire l&#39;elastomero asciugare all&#39;aria. Pulire delicatamente particelle di carbonio in eccesso sulla superficie con del nastro o un batuffolo di cotone. </li></ol> 3. Preparazione del LCEs reversibile a base epossidica <ol><li> Mescolare 246.15 mg di 4,4&#39;-diglycidyloxybiphenyl 31, 101 mg di acido sebacico, 71,6 mg di acido hexadecanedioic, e 76 mg di polydi carboxydecyl-terminatometilsilossano in un (3 cm x 2 cm x 1 cm) di stampo PTFE rettangolare su misura. Riscaldare i campioni posizionando su una piastra riscaldante a 180 ° C. <ol><li> Aggiungere 11.48 mg di (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] dec-5-ene) catalizzatore e mescolare con una pinzetta di metallo pre-riscaldato a 180 ° C. Continuare reagire finché il composto forma un gel, dopo circa 20 minuti, e mescolate periodicamente per rimuovere le bolle generate dalla reazione. </li></ol></li><li> Rimuovere la barca PTFE dalla piastra e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Utilizzare una lama di rasoio per separare l&#39;elastomero dallo stampo PTFE. </li><li> Inserire due fogli in PTFE in un comunicato polimero a 180 ° C. Posizionare l&#39;elastomero dal punto 3.2 tra i fogli di PTFE e comprimere il campione ad uno spessore di 0,3 - 0,5 mm. Continua riscaldamento a 180 ° C per 4 ore. </li><li> Rimuovere il campione e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. Tagliare il campione in pezzi rettangolari (circa 2,5 cm Lunghezza e 0,5 cm di larghezza). Appendere il campione ad una estremità con del nastro poliimmide all&#39;interno di un forno di riscaldamento. Fissare 12 paperclips (8.88 g) alla estremità libera del campione. Impostare la temperatura del forno di riscaldamento a 165 ° CO / N, o per 12 - 16 ore. </li><li> Rimuovere l&#39;elastomero dal forno di riscaldamento e notare la variazione di lunghezza. Riscaldare il campione a 80 ° C su una piastra per rimuovere tensioni residue poi raffreddare di nuovo a RT. </li></ol> 4. Test e caratterizzazione di LCEs <ol><li> Misurare la deformazione reversibile riscaldando i campioni su una piastra a 120 ° C e di imaging con una macchina fotografica. Nota la lunghezza iniziale del campione a temperatura ambiente, la lunghezza del campione dopo il riscaldamento a 120 ° C, e la lunghezza dopo raffreddamento ritorna RT. LCEs dovrebbero contrarsi di circa il 30% e tornare alla loro lunghezza iniziale raffreddamento. Vedi esempio immagini mostrate in figura 1A e 1B. </li><li> Analizzare temperatura di transizione di fase e di transizione vetrosa da calorimetria differenziale a scansione (DSC) tagliando un piccolo pezzo da ciascuna LCE e la scansione da 0 ° C a 150 ° C ad un riscaldamento / coOling velocità di 10 ° C / min 32,33. </li><li> Quantificare il grado di allineamento a cristalli liquidi da misure di diffrazione di raggi X. I campioni in un diffrattometro a raggi X con capacità di imaging 2D. 33 Vedi le immagini esempio di diffrazione mostrato nella Figura 2. Nota: l&#39;immagine di diffrazione dovrebbe essere anisotropo, riflette l&#39;allineamento della LCE 33. LCEs polisilossano sono LCEs nematici ed epossidici a base mostrano una fase smettica. </li><li> Misurare rigidità della LCE e variazione della lunghezza e larghezza utilizzando analisi meccanica dinamica (DMA). lunghezza di registrazione e modifiche rigidità in funzione della temperatura per LCEs e in funzione del potenziale elettrico per i nanocompositi LCE. <ol><li> Per le misure termo-meccanici, usare una lama di rasoio per tagliare manualmente i campioni di dimensioni di 2 cm x 0,3 cm e con attenzione il fissaggio tra i morsetti di tensione. Applicare una forza di 1 milione di euro per tendere. <ol><li> Termicamente equilibrare i campioni a 30 ° C Folloa capo cicli di riscaldamento e raffreddamento a 5 ° C / min. campione calore da 30 ° C fino a 120 ° C. Le variazioni di temperatura producono cambiamenti nella lunghezza e la larghezza del campione, che sono registrati durante la misurazione DMA. Vedere la Figura 3A per misure termomeccanici di un campione LCE. </li></ol></li><li> Per misure elettromeccanici, tagliare manualmente campioni nanocompositi LCE a dimensioni di 2 cm x 0,3 cm e incollare un filo di rame alle estremità opposte dei nanocompositi LCE utilizzando una resina epossidica argento. Fissare il nanocompositi LCE con tensione morsetti con 1 tensione mn. <ol><li> Applicare un potenziale elettrico attraverso i fili di rame ad una tensione compresa tra 0 - 60 V, una frequenza di 60 Hz, e un interruttore on / off durata dell&#39;impulso compresa tra 0,1 sec - 30 sec. </li><li> cambiamenti di forma record in risposta al potenziale elettrico. Applicare una forza fissa di 1 milione di euro per tendere. Il cambiamento di posizione dei morsetti corrisponde a modellare cambiamenti nel campione. Vedi Figuri 3B per misure elettromeccanici di un campione LCE nanocomposito. </li></ol></li></ol></li></ol> 5. cultura cella attiva attraverso stimolazione elettrica di LCE nanocompositi <ol><li> Trattare una superficie di nanocompositi LCE in plasma di ossigeno per 30 sec. Spin fuso 300 ml di una soluzione di polistirene in toluene (1% w / v) a 3.300 rpm per 1 min sopra della superficie del plasma pulita. Essiccare l&#39;elastomero sotto vuoto per 12 ore per rimuovere toluene, e trattare la superficie polistirene rivestite del nanocomposito LCE con plasma di ossigeno per 30 sec. </li><li> Posizionare nanocompositi LCE in soluzione di etanolo al 70% per 30 minuti per sterilizzare la superficie. <ol><li> Lavare il nanocompositi LCE con tampone fosfato e trasferire il LCE di un piatto a secco di Petri con la parte in polistirolo rivestito rivolto verso l&#39;alto. Rivestire l&#39;intera superficie della LCE immergendo in 5 ml di una soluzione di collagene di tipo I coda di ratto (50 ug / ml in 0,02 N acido acetico). Incubare LCE nanocomposite a 37 ° C e 5% CO 2 per almeno 30 min. </li></ol></li><li> Isolare cardiomiociti ventricolari di ratto neonatale e sospendere in alto nel siero dei media placcatura come riportato in precedenza 11. <ol><li> Cellule piatto sopra substrati LCE descritti come sopra ad una densità di 100.000 - 600.000 cellule / cm 2. Intorno a 24 ore dopo, il trasferimento alle cellule di supporto bassa siero manutenzione (DMEM, 18,5% M199, 5% HS, 1% FBS e antibiotici). Consentire cardiomiociti per fissare e proliferare sulla superficie della LCE per 4 giorni. </li></ol></li><li> Progettare e fabbricare una nave personalizzato utilizzando una stampante 3-D e utilizzando lo schema della nave indicata in figura 4 con il protocollo del produttore. Nota: Il 3D stampato vaso è un contenitore rettangolare con dimensioni esterne 60 mm x 40 mm x 20 mm e dimensioni interne di 50 mm x 30 mm x 15 mm. Su due superfici laterali, ci sono due serie di fori 5 mm utilizzati per inserire barre di carbonio conduttive. Taccaes intorno ai fori e fino al bordo superiore del contenitore consentono mettendo un pezzo di plastica rettangolare (dimensioni di 52,5 millimetri x 12 mm x 4 mm) attraverso il vaso per tenere il LCE in sostituzione alle due estremità. La distanza tra i fori è di 3 mm su un lato della nave, e tacche si trovano intorno ai fori come mostrato in Figura 4. Questo è progettato per essere compatibile con le dimensioni dei substrati LCE sopra descritti. barre di carbonio conduttivi sono ottenuti attraverso un fornitore commerciale come mostrato nella Materials Supplement. <ol><li> Inserire barre di carbonio attraverso i fori attraverso i vasi e tenere in posizione con adesivo in silicone per uso medico. Curare l&#39;adesivo O / N. </li></ol></li><li> nanocompositi trasferimento LCE con cardiomiociti di una nave su misura 3D-stampato riempito di mezzi di manutenzione di colture cellulari e con paralleli barre di carbonio conduttive collegato ad una sorgente elettrica. Posizionare il LCE attraverso le aste di carbonio e fissare su un&#39;estremità per assicurare il contatto elettrico. <ol><li> Inserire un pezzo di plastica rettangolare attraverso le tacche nel recipiente 3-D per tenere il LCE nel luogo in una o entrambe le estremità, ma collocare questo liberamente sul campione LCE. Elettricamente stimolare LCE attraverso l&#39;applicazione di un potenziale elettrico di 40 V AC con 5 sec on / off tempo per un totale di 24 ore. </li></ol></li><li> Macchia la membrana delle cellule viventi con calceina AM come descritto in precedenza 11. </li><li> Per i nuclei colorazione, coprire le cellule con DAPI contenente mezzo di montaggio prima di imaging con un microscopio a fluorescenza invertito. Utilizzare ImageJ per contare il numero di cellule viventi e determinare l&#39;angolo di allineamento cella utilizzando la funzione migliore vestibilità. </li></ol> 6. cultura cella attiva con LCEs si usa il riscaldamento diretto <ol><li> Ripetere i passaggi 5,1-5,3 sopra utilizzando un LCE puro senza carbonio nanoparticelle neri aggiunto. Questa procedura è anche descritta in dettaglio in una pubblicazione precedente. 11 </li><li> Trasferire il LCE con cardiomiociti di un Petri dish con i media di manutenzione di colture cellulari e un 0.5 &quot;x 2&quot; Kapton riscaldatore resistivo. Fornitura di calore al LCE accendendo il riscaldamento resistivo con una potenza di riscaldamento di 12 W. ciclo dentro e fuori dal calore con intervalli di 5 sec per almeno 24 ore. </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>
<li>Agrawal, A., Luchette, P., Palffy-Muhoray, P., Biswal, S. L., Chapman, W. G., Verduzco, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+wrinkling+in+liquid+crystal+elastomers%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Surface wrinkling in liquid crystal elastomers.</a> Soft Matter. 8 (27), 7138-7142 (2012).</li>
<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Per produrre LCE monodominio, gli LCE devono essere caricati uniassialmente durante la reticolazione. Questo è impegnativo nella pratica perché l'LCE viene caricato quando è solo parzialmente reticolato e quindi non è meccanicamente robusto e può rompersi o strapparsi facilmente. La procedura descritta sopra (passaggi 1.1 - 1.4) può produrre LCE monodominio in modo coerente. Un passaggio critico è la rimozione dell'LCE dallo stampo in PTFE per il caricamento al momento opportuno. Se l'LCE viene rimosso troppo rapidament...

Materiali che possono esibire forma cambia veloci, reversibili e programmabili sono desiderabili per un numero di applicazioni emergenti 1-9. Stent Shape-reattiva può aiutare con la guarigione della ferita e il trattamento 7. Robot artificiali possono aiutare nell&#39;esplorazione e nello svolgimento dei compiti in ambienti che sono nocivi o non sicuri per gli esseri umani 10. Elastomeri Shape-responsive sono desiderabili per l&#39;uso in coltura cellulare attiva, in cui le cellule sono coltivate in un ambiente attivo. 11-14 Altre applicazioni includono l&#39;imballaggio, rilevamento e drug delivery. Elastomeri a cristalli liquidi (LCE) sono reti di polimeri a cristalli liquidi con l&#39;ordinazione 15-20. LCEs sono realizzati combinando una rete polimerica flessibile molecole dei cristalli liquidi note come mesogeni. La reattività del LCEs deriva dall&#39;accoppiamento dell&#39;ordine cristalli liquidi a ceppi nella rete polimerica, e stimoli che influenzano l&#39;ordine di mesogeni sarà geneceppi di rete tasso, e viceversa. Per conseguire grandi e reversibili forma-changes in assenza di un carico esterno, i mesogeni devono essere orientati in un&#39;unica direzione nel LCE. Una sfida pratica comune a lavorare con LCEs sta generando monodomain LCEs. Un&#39;altra sfida sta generando cambiamenti di forma in risposta a stimoli diversi da riscaldamento diretto. Questo può essere fatto mediante l&#39;aggiunta di nanoparticelle o coloranti a reti LCE 21-28. Qui, dimostriamo la preparazione di LCEs monodomain e nanocompositi LCE. In primo luogo, abbiamo dimostrato la preparazione di LCEs monodomain utilizzando il metodo in due fasi la prima volta da Kupfer et al. 29 Questo è ancora il metodo più popolare e noto per la preparazione di LCEs monodomain, ma raggiungere l&#39;allineamento e la consistenza uniforme tra i campioni può essere impegnativo . Abbiamo dimostrato un approccio che può essere facilmente implementato utilizzando apparecchiature di laboratorio standard, compreso tutti i dettagli sul campionamentola manipolazione e la preparazione. Successivamente, si mostra come carbonio conduttivo nanoparticelle nere possono essere aggiunti alla LCEs per la produzione di conduttori, LCEs reattivi elettricamente. Abbiamo poi dimostrare la sintesi e l&#39;allineamento di LCEs a base epossidica. Questi materiali presentano legami rete scambiabili e possono essere allineati mediante riscaldamento a temperature elevate e applicando un carico uniforme. Tutti LCEs sono caratterizzati attraverso immagini campione macroscopico, misure di diffrazione di raggi X e analisi meccanica dinamica. Infine, abbiamo dimostrato una potenziale applicazione LCEs come substrati di forma-reattiva per coltura cellulare attiva.

<table><tbody><tr><td>4-metossifenile 4-(3-butenilossi)benzoato</td><td>TCI America</td><td>M2106</td> Poli(metilidrosilossano) <td>Mesogeno reattivo</td></tr> <tr><td></td><td>Gelest</td><td>HMS-993</td><td>Polisilossano reattivo</td></tr><tr><td>1,4-di(10-undecenilossibenzene)</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>vedi: Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. Bis-isossazolidine: una nuova classe di inibitori di corrosione dell'acciaio dolce in mezzi acidi. Scienza della corrosione. 50 (11), 3070&ndash; 3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)</td></tr><tr><td>(dicloro(1,5-cicloottadiene)-platino(II)&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>244937</td><td>Pt catalizzatore</td></tr><tr><td>PTFE stampo</td><td>N / A</td><td>N / A</td><td>fabbricato presso l'officina meccanica di</td></tr><tr><td>riso nanoparticelle di nerofumo</td><td>Cabot</td><td>VULCAN&reg; &nbsp; XC72R</td><td>utilizzato nella sintesi di nanocompositi LCE:</td></tr><tr><td>polistirene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>331651</td><td>polistirene lineare&nbsp;</td></tr><tr><td>4,4'-diglicidilossibifenile</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>vedi:&nbsp; Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. Termoindurenti epossidici cristallini liquidi. Cristalli molecolari e cristalli liquidi Scienza e tecnologia. Sezione A. Cristalli molecolari e cristalli liquidi. 266 (1), 9&ndash; 22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995).</td></tr><tr><td>acido sebacico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>283258</td><td>gruppo di collegamento C8 per la sintesi di epossi-LCE</td></tr><tr><td>acido esadecanedioico</td><td>Sigma Aldrich</td><td>177504</td><td>gruppo di collegamento C16 per la sintesi di epossi-LCE</td></tr><tr><td>polidimetilsilossano con terminazione carbossidecilico</td><td>Gelest</td><td>DMS-B12</td><td>Gruppo di collegamento silossano per la sintesi epossi-LCE</td></tr><tr><td>1,5,7-triazabiciclo[4.4.0] dec-5-ene</td><td>Sigma Aldrich</td><td>345571</td><td>catalizzatore per LCE reversibili in</td></tr><tr><td>carbonio Ladd</td><td>Research&nbsp;</td><td>30250</td><td>utilizzato negli esperimenti di coltura cellulare</td></tr><tr><td>adesivo siliconico di grado medico</td><td>Silbione</td><td>MED ADH 4100 RTV</td><td>utilizzato per far aderire le barre di carbonio al recipiente</td></tr></tbody></table>

preparazione di monodomain liquid crystal elastomeri e cristallo elastomero nanocompositi liquid

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs sono materiali di forma-reattiva con cambio completamente reversibile forma e potenziali applicazioni nel campo della medicina, l&#39;ingegneria dei tessuti, i muscoli artificiali e robot come morbidi. Qui, dimostriamo la preparazione di elastomeri forma-reattiva a cristalli liquidi (LCEs) e nanocompositi LCE con la caratterizzazione della loro forma-reattività, proprietà meccaniche e microstruttura. Due tipi di LCEs - polisilossano-based e epossidici - sono sintetizzati, allineati e caratterizzati. LCEs polisilossano-based vengono preparati attraverso due fasi di reticolazione, la seconda sotto un carico applicato, con conseguente LCEs monodomain. nanocompositi polisilossano LCE sono preparati mediante l&#39;aggiunta di nanoparticelle di carbonio conduttivo nero, sia durante la maggior parte della LCE e alla superficie LCE. LCEs a base epossidica sono preparati mediante una reazione di esterificazione reversibile. LCEs a base epossidica sono allineate attraverso l&#39;applicazione di un carico uniassiale a elevata (160 ° C) temperatures. LCEs allineate e nanocompositi LCE sono caratterizzate rispetto al ceppo reversibili, rigidità meccanica, e ordinazione cristalli liquidi usando una combinazione di immagini, misure di diffrazione di raggi X bidimensionali, calorimetria differenziale a scansione, e analisi meccanica dinamica. LCEs e nanocompositi LCE possono essere stimolati con calore e / o potenziale elettrico di generare in modo controllabile tensioni nei terreni di coltura delle cellule, e ci dimostrano l&#39;applicazione di LCEs come substrati di forma-reattivo per colture cellulari che utilizzano un dispositivo su misura.

LCEs Monodomain sono forma-reattiva a causa di accoppiamento della conformazione della rete con l&#39;ordinazione a cristalli liquidi. LCEs riscaldamento traduce in una diminuzione del parametro d&#39;ordine cristalli liquidi, producono una contrazione della rete polimerica lungo la direzione di allineamento primario. Questo è facilmente visualizzato inserendo un LCE su una piastra, come mostrato nella Figura 1A e 1B. In riscaldamento da...

Dimostriamo la preparazione di elastomeri a cristalli liquidi (LCE) a base di silossani ed epossidici e nanocompositi LCE. Gli LCE sono caratterizzati rispetto alla deformazione reversibile, all'ordinamento dei cristalli liquidi e alla rigidità. Come potenziale applicazione, dimostriamo il loro utilizzo come substrati sensibili alla forma in un dispositivo personalizzato per la coltura cellulare attiva.

Preparazione di Monodomain Liquid Crystal Elastomeri e cristallo elastomero Nanocompositi Liquid

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

L'obiettivo generale di questa procedura è preparare elastomeri a cristalli liquidi e nanocompositi allineati e sensibili alla forma. Gli elastomeri a cristalli liquidi sono materiali sensibili a stimoli esterni che cambiano forma in risposta a stimoli presenti nell'ambiente. Possono essere utilizzati in diverse applicazioni, come nell'ingegneria tissutale, dove sappiamo che le cellule rispondono a sollecitazioni e deformazioni presenti nell'ambiente.In questa procedura che andremo a dimostrare, ci affidiamo su materiali a basso costo. Il metodo che mostriamo è affidabile e può essere implementato in qualsiasi laboratorio senza la necessità di attrezzature costose o specializzate. Questi materiali possono essere utilizzati nello sviluppo di fogli cellulari cardiaci, in cui sappiamo che sollecitazioni e deformazioni 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 apprendere e i campioni particolarmente delicati durante le fasi di sospensione, caricamento e reticolazione. La procedura sarà quindi dimostrata da Hojin Kim, Bohan Zhu e Huiying Chen, studenti del nostro laboratorio e del Laboratorio Jeff Jaycot. Iniziare mescolando 166,23 milligrammi di un mesogene reattivo, 40 milligrammi di silossano e 12,8 milligrammi di reticolante con 0,6 millilitri di toluene anidro in un piccolo vial contenente un agitatore magnetico.Agitare la soluzione a 35 gradi Celsius per 25 minuti affinché i reagenti si sciolgano completamente. In un vial separato, preparare una soluzione al peso dell'uno percento di un catalizzatore al platino in diclorometano. Successivamente, aggiungere 30 microlitri della soluzione di catalizzatore alla soluzione precedentemente preparata e agitare la miscela con la barretta magnetica.Successivamente, versare la soluzione in uno stampo rettangolare in politetrafluoroetilene realizzato su misura. Coprire lo stampo in modo lento con un vetrino e collocarlo in un forno a 60 gradi Celsius per 30 minuti. Agitare lo stampo periodicamente per rimuovere le bolle durante i primi 15 minuti.Rimuovere lo stampo dal forno e raffreddarlo rapidamente con azoto liquido versando l'azoto liquido in un contenitore piccolo e mettendo a contatto la parte inferiore dello stampo in PTFE con l'azoto liquido per 2 secondi. Una volta che la miscela si è raffreddata, posizionare un foglio in PTFE e utilizzare una spatola metallica per rimuovere con cura l'elastomero dallo stampo e appoggiarlo sopra il foglio. Successivamente, utilizzare una lametta per rifilare i bordi dell'elastomero a cristalli liquidi e tagliarlo longitudinalmente in tre pezzi di dimensioni uguali.Appendere ogni pezzo a una barra orizzontale e fissare l'elastomero in posizione utilizzando del nastro adesivo. Aggiungere un fermaglio alla volta all'estremità degli elastomeri a intervalli di 10 minuti. Lasciarli appesi per sette giorni a temperatura ambiente e annotare eventuali variazioni di lunghezza o uniformità.Scartare qualsiasi campione che si strappi o si rompa. Per preparare un nanocomposito di elastomero a cristalli liquidi con risposta elettrica, aggiungere 4,38 milligrammi di nanoparticelle di nero di carbonio alla soluzione reattiva contenente il mesogene reattivo, l'agente di reticolazione e il silossano. Durante la fase di sospensione della fabbricazione, utilizzare un totale di cinque fermagli invece di 10 per caricare il campione.Aggiungere ulteriori nanoparticelle di nero di carbonio sulla superficie dell'elastomero a cristallo liquido. Preparare una soluzione al 1% in peso/volume di nanoparticelle di nero di carbonio nel toluene. Sottoporre la soluzione a sonificazione per 20 minuti per disperdere le nanoparticelle di carbonio, quindi versare la dispersione in una piastra di Petri.Quindi immergere gli elastomeri a cristalli liquidi nella dispersione di nanoparticelle per sei ore. Una volta rimossi dalla soluzione, utilizzare la pipetta per rimuovere la soluzione in eccesso dalla piastra di Petri e lasciare asciugare l'elastomero all'aria. Rimuovere delicatamente le particelle di carbonio in eccesso sulla superficie utilizzando del nastro adesivo o un bastoncino di cotone.Per preparare elastomeri a cristalli liquidi reversibili a base di epossidico, mescolare 246,15 milligrammi di diglicidil diossilbifenile, 101 milligrammi di acido sebacico, 71,6 milligrammi di acido esadecandioico e 76 milligrammi di PDMS terminato con carbossidecile nello stampo rettangolare in PTFE. Riscaldare i campioni ponendoli su un piastrino riscaldante a 180 gradi Celsius. Successivamente, aggiungere 11,48 milligrammi di catalizzatore e utilizzare pinzette metalliche preriscaldate a 180 gradi Celsius per mescolare la miscela.Continuare a mescolare la miscela periodicamente per rimuovere le bolle generate dalla reazione. Lasciare reagire la miscela per circa 20 minuti. Una volta gelificata, rimuovere la barca in PTFE dalla piastra riscaldante e lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente.Quindi, utilizzare una lametta per separare l'elastomero dallo stampo in PTFE. Successivamente, 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 fino 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. Successivamente, tagliare il campione in pezzi rettangolari, lunghi 2,5 centimetri e larghi 0,5 centimetri.Appendere il campione a un'estremità utilizzando nastro in poliimide all'interno di un forno riscaldante. Aggiungere 12 fermagli con un peso totale di 8,88 grammi all'estremità libera del campione. Impostare quindi la temperatura del forno a 165 gradi Celsius e riscaldare i campioni per tutta la notte.Rimuovere l'elastomero dal forno e osservare il cambiamento di lunghezza. Successivamente, riscaldare il campione a 80 gradi Celsius su una piastra riscaldante per rimuovere le tensioni residue, quindi raffreddare nuovamente a temperatura ambiente. Misurare la deformazione reversibile posizionando i campioni su una piastra riscaldante e riscaldando nuovamente la piastra fino a 120 gradi Celsius.Acquisire l'immagine del campione a temperatura ambiente dopo averlo riscaldato a 120 gradi Celsius e dopo averlo raffreddato nuovamente a temperatura ambiente. Utilizzare le immagini per misurare la lunghezza del campione a ogni passaggio. Per le misurazioni termomeccaniche, utilizzare una lametta per tagliare manualmente i campioni in dimensioni di due centimetri per 0,3 centimetri e fissarli con cura, uno alla volta, tra le pinze di trazione.Applicare una forza di un millinewton al campione per rimuovere innanzitutto ogni gioco. Successivamente, portare i campioni all'equilibrio termico a 30 gradi Celsius, seguito 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 di lunghezza e larghezza del campione durante il cambiamento di temperatura. Sottoporre una superficie di nanocompositi di elastomero a cristalli liquidi a plasma di ossigeno per 30 secondi. Successivamente, depositare mediante spin coating 300 microlitri di una soluzione al 1% peso/volume di polistirene nel toluene a 3.300 giri al minuto per un minuto sulla superficie pulita con plasma.Asciugare l'elastomero sotto vuoto per 12 ore per rimuovere il toluene. Quindi trattare la superficie ricoperta di polistirene del nanocomposito a base di LCE utilizzando una plasma ad ossigeno per 30 secondi. Sterilizzare i nanocompositi di elastomero trattati al plasma in etanolo al 70% per 30 minuti.E quindi lavarli con soluzione salina tamponata al fosfato. Trasferire i nanocompositi di elastomero lavati in una piastra di Petri asciutta, con il lato rivestito in polistirene rivolto verso l'alto. Successivamente, aggiungere cinque millilitri di soluzione di collagene di tipo I in una piastra e ricoprire 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. Piastrare i cardiomiociti ventricolari isolati da ratto neonato sulla superficie dei substrati a una densità di 100.000-600.000 cellule per centimetro quadrato. Coltivare le cellule come descritto nel protocollo testuale allegato.Una volta che le cellule si sono fissate saldamente, trasferire i nanocompositi di elastomero a cristalli liquidi seminati in un contenitore personalizzato stampato in 3D. Successivamente, inserire un pezzo di plastica rettangolare attraverso le tacche del contenitore 3D per mantenere l'elastomero a cristalli liquidi in posizione a una o entrambe le estremità. Posizionare il campione attraverso le barrette di carbonio e fissarlo a un'estremità per garantire un buon contatto elettrico.Assicurarsi che il contenitore sia riempito con il mezzo di mantenimento della coltura cellulare e sia dotato di barre conduttive in carbonio parallele collegate a una fonte elettrica. Stimolare elettricamente gli elastomeri a cristalli liquidi con un potenziale elettrico alternato di 40 volt, con 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 da temperatura ambiente a temperature superiori alla transizione da nematica a isotropica, 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 mostrato qui &egrave; stato riscaldato e raffreddato attraverso quattro cicli. Una volta riscaldato, i campioni mostrano un accorciamento di circa il 35% nella direzione in cui erano sospesi durante la fabbricazione.Il campione si espande anche del 25-30% nella direzione perpendicolare. I nanocompositi di elastomero a cristalli liquidi si contraggono in seguito all'applicazione di un potenziale elettrico. Quando esposti a 40 volt in corrente alternata, i nanocompositi di elastomero a cristalli liquidi si accorciano di circa il 22,5% nella direzione in cui erano sospesi durante la fabbricazione.Qui, i campioni sono stati esposti a un ciclo di accensione e spegnimento ogni 15 secondi. Pertanto, una volta acquisita padronanza della procedura, essa può essere completata in due ore e l'intera sintesi sarà conclusa dopo una settimana dal sospeso del campione. Durante il tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di sospendere il cristallo liquido (LC) con il peso corretto.In caso contrario, potresti non allineare correttamente il campione o romperlo durante la fabbricazione. Seguendo questa procedura, puoi aggiungere altri tipi di additivi al LCE, come nanotubi di carbonio, per comprendere quali risposte a stimoli potrebbe avere. Speriamo che questa ricerca apra la strada ai biologi e agli ingegneri biomedici per modellare substrati reattivi al fine di indagare l'effetto dello stress e della deformazione sulla crescita cellulare, sull'allineamento cellulare e sul comportamento cellulare.Dopo aver guardato questo video, dovresti avere una buona comprensione di come preparare elastomeri a cristalli liquidi allineati e sensibili alla forma, nonché nanocompositi di elastomeri a cristalli liquidi.

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Bioingegneria

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