モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製
February 6th, 2016
シロキサンベースおよびエポキシベースの液晶エラストマー(LCE)およびLCEナノコンポジットの調製を実演します。LCEは、可逆ひずみ、液晶秩序、および剛性に関して特徴付けられます。潜在的なアプリケーションとして、活性細胞培養用のカスタムデバイスでの形状応答性基質としての使用を実証します。
この手順の全体的な目標は、整列した形状応答性のある液晶エラストマーとナノ複合材料を調製することです。つまり、液晶エラストマーは、環境中の刺激に反応して形状が変化する刺激応答性材料です。また、細胞が環境中のストレスやひずみに反応することがわかっている組織工学など、さまざまなアプリケーションで使用できます。
この手順では、低コストの材料を使用します。私たちが実証する方法は信頼性が高く、高価な機器や特殊な機器を必要とせずに、どのラボでも実装できます。これらの材料は、ストレスや緊張が心筋細胞の分化、成熟、機能に影響を与えることがわかっている心臓細胞シートの開発に適用することができます。
このプロセスは習得が難しく、吊り下げ、ロード、クロスリンクする際にはサンプルが特にデリケートになるため、この手順を視覚的にデモンストレーションすることが重要です。そこで、手順を実演するのは、私たちの研究室とJeff Jaycot研究室の学生であるHojin Kim氏、Bohan Zhu氏、Huiying Chen氏です。まず、166.23ミリグラムの反応性メソゲン、40ミリグラムのシロキサン、12.8ミリグラムの架橋剤を0.6ミリリットルの無水トルエンと、攪拌バーで充填した小さなバイアルに組み合わせます。
溶液を摂氏35度で25分間攪拌し、試薬が完全に溶解します。別のバイアルに、ジクロロメタン中の白金触媒の1重量パーセント溶液を調製します。次に、30マイクロリットルの触媒溶液を予め調製した溶液に加え、攪拌子で混合物を攪拌します。
次に、カスタムメイドの長方形のポリテトラフルオロエチレン型に溶液を注ぎます。型をスライドガラスでゆるく覆い、摂氏60度のオーブンに30分間入れます。最初の15分間は、定期的に型を振って気泡を取り除きます。
オーブンから型を取り出し、液体窒素を小さな容器に注ぎ、PTFE型の底を液体窒素と2秒間接触させて、液体窒素ですばやく冷却します。混合物が冷えたら、PTFEシートを敷き、金属ヘラを使用してエラストマーを金型から慎重に取り出し、シートの上に置きます。次に、カミソリの刃を使って液晶エラストマーの端を切り取り、その長さに沿って3つの同じサイズに切ります。
各ピースを水平ロッドに吊るし、テープを使用してエラストマーを所定の位置に保持します。エラストマーの端にペーパークリップを1つずつ10分刻みで追加します。室温で7日間吊るし、長さや均一性の変化に注意してください。
破れたり壊れたりしたサンプルは廃棄してください。電気的に応答性のある液晶エラストマーナノ複合材料を調製するには、反応性メソジェン、架橋剤、およびシロキサンを含む反応溶液に4.38ミリグラムのカーボンブラックナノ粒子を添加します。製造の吊り下げステップでは、10個ではなく合計5個のペーパークリップを使用してサンプルをロードします。
液晶エラストマー表面にカーボンブラックナノ粒子を追加します。トルエン中のカーボンブラックナノ粒子の体積当たり1%の重量溶液を調製する。溶液を20分間超音波処理してカーボンナノ粒子を分散させ、次いで分散液をシャーレに注ぐ。
次に、液晶エラストマーをナノ粒子分散液に6時間浸します。溶液から取り出したら、ピペットを使用して余分な溶液をペトリ皿から取り出し、エラストマーを空気中で乾燥させます。表面の余分なカーボン粒子は、テープまたは綿棒を使用してやさしく洗浄します。
可逆的なエポキシベースの液晶エラストマーを調製するには、長方形のPTFEモールドで、246.15ミリグラムの4つの4つのプライムジグリシジルジロキシビフェニル、101ミリグラムのセバシン酸、71.6ミリグラムのヘキサデカンジオン酸、および76ミリグラムのカルボキシデシル末端PDMSを混合します。サンプルを180°Cのホットプレートに置いて加熱します。次に、11.48ミリグラムの触媒を加え、摂氏180度に予熱した金属ピンセットを使用して混合物を攪拌します。
混合物を定期的に攪拌し続けて、反応によって生成された気泡を取り除きます。混合物を約20分間反応させ続けます。ゲル化したら、PTFEボートをホットプレートから取り外し、混合物を室温まで冷まします。
次に、かみそりの刃を使用してエラストマーをPTFE金型から分離します。次に、2枚のPTFEシートを摂氏180度のポリマープレスにセットします。エラストマーをPTFEシートの間に置き、サンプルを0.3〜0.5ミリメートルの厚さに圧縮します。
エラストマーを摂氏180度で4時間加熱し続けます。4時間後、サンプルを取り出し、室温まで冷却します。次に、サンプルを長さ2.5センチメートル、幅0.5センチメートルの長方形にカットします。
ポリイミドテープを使用して、加熱オーブン内でサンプルの一方の端を吊るします。サンプルの自由端に合計重量8.88グラムのペーパークリップ12個を取り付けます。次に、オーブンの温度を摂氏165度に設定し、サンプルを一晩加熱します。
エラストマーをオーブンから取り出し、長さの変化に注意してください。次に、ホットプレートでサンプルを摂氏80度に加熱して残留応力を取り除き、室温まで冷却します。サンプルをホットプレートに置き、プレートを摂氏120度まで加熱して、可逆ひずみを測定します。
120°Cに加熱した後、室温でサンプルを画像化し、室温に戻した後、サンプルを室温で画像化します。画像を使用して、各ステップでサンプルの長さを測定します。熱機械測定の場合は、カミソリの刃を使用してサンプルを2センチメートル×0.3センチメートルの寸法に手動で切断し、テンションクランプの間に一度に1つずつ慎重に固定します。
サンプルに1ミリニュートンの力を加えて、最初にたるみを取り除きます。次に、サンプルを摂氏30度で熱平衡化し、続いて加熱および冷却サイクルを行います。サンプルを毎分5°Cで30°Cから120°Cまで加熱します。
温度変化中のサンプルの長さと幅の変化を記録します。液晶エラストマーナノ複合材料の一面を酸素プラズマ下で30秒間処理します。次に、ポリスチレンの体積あたり1%の重量の300マイクロリットルをトルエンで3,300rpmで1分間プラズマ洗浄表面の上にスピンキャストします。
エラストマーを真空下で12時間乾燥させ、トルエンを除去します。次に、LCEナノコンポジットのポリスチレンコーティング表面を酸素プラズマを使用して30秒間処理します。プラズマ処理されたエラストマーナノコンポジットを70%エタノールで30分間滅菌します。
そして、それらをリン酸緩衝生理食塩水で洗います。洗浄したエラストマーナノコンポジットを、ポリスチレンでコーティングされた面を上にして乾燥シャーレに移します。次に、1型コラーゲン溶液を5ミリリットル皿に加え、サンプルをコラーゲン溶液に浸して全面にコーティングします。
次に、サンプルを覆い、摂氏37度と二酸化炭素5%で少なくとも30分間インキュベートします。プレートは、100、000〜600、000細胞/平方センチメートルの密度で基質の上に新生児ラット心室心筋細胞を分離します。添付のテキストプロトコルに記載されているように細胞を培養します。
細胞がしっかりと付着したら、播種した液晶エラストマーナノ複合材料をカスタムの3Dプリント容器に移します。次に、3D容器のノッチに長方形のプラスチック片を挿入して、液晶エラストマーの一方または両端を所定の位置に保持します。サンプルをカーボンロッドに置き、一方の端に固定して、電気的に良好な接触を確保します。
容器に細胞培養維持培地が充填され、電気源に接続された平行な導電性カーボンロッドが装備されていることを確認してください。40ボルトのA / C電位で液晶エラストマーを電気的に刺激し、5秒間のオンオフ時間で合計24時間です。液晶エラストマーは、室温からネマチックから等方性への転移温度(摂氏約80度)以上に加熱すると、収縮し、可逆的に伸びます。
動的粘弾性分析は、液晶エラストマーの形状変化を温度の関数として定量的に測定します。ここに示すグラフに示されているサンプルは、4サイクルで加熱および冷却されました。加熱すると、サンプルは製造中に吊り下げられた方向に約35%短縮されます。
また、サンプルは垂直方向に25〜30%膨張します。液晶エラストマーナノ複合材料は、電位の印加で収縮します。40ボルトのA / Cにさらされると、液晶エラストマーナノ複合材料は、製造中に吊り下げられた方向に約22 1/2%短くなります。
ここでは、サンプルを15秒ごとにオンオフサイクルに曝露しました。したがって、手順を習得すると、2時間で完了し、サンプルを吊るしてから1週間後には全体の合成が完了します。この手順を試行するときは、LCを正しい量の重量で吊るすことを忘れないでください。
そうしないと、サンプルが適切に位置合わせされなかったり、製造中にサンプルが壊れたりする可能性があります。この手順に従うと、カーボンナノチューブなどの他の種類の添加剤をLCEに追加して、LCEがどのような刺激応答を持つかを理解できます。この研究が、生物学者やバイオエンジニアが応答性基質を形成するための道を開くことを願っており、ストレスやひずみが細胞の成長、細胞のアライメント、細胞の挙動に及ぼす影響を調査することを目的としています。
したがって、このビデオを見た後、整列した形状応答性液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの作り方を十分に理解しているはずです。
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概要
この記事は、シロキサンベースおよびエポキシベースの液晶エラストマー（LCEs）とそのナノコンポジットの調製を実証しています。研究は、可逆的なひずみ、液晶の配列、剛性の観点からのそれらの特徴付けに焦点を当て、活性細胞培養デバイスにおける形状応答性基板としての潜在的な応用を示しています。
主要な研究要素
科学の分野
- 材料科学
- バイオテクノロジー
- 細胞培養
背景
- 液晶エラストマーは刺激応答性材料です。
- 環境刺激に応じて形状を変化させます。
- 応用には組織工学や心筋シートが含まれます。
- 研究室での実施のために低コストの材料と方法が強調されています。
研究目的
- 整列した形状応答性液晶エラストマーを調製すること。
- 細胞挙動に影響を与える応用での使用を探ること。
- LCE調製の信頼できる方法を実証すること。
使用した方法
- シロキサンベースおよびエポキシベースのLCEsの調製。
- ひずみと剛性のLCEの特徴付け。
- 活性細胞培養用のカスタムデバイスの開発。
- 低コストの材料と方法の実施。
主な結果
- LCEsとナノコンポジットの成功的な調製。
- 特徴付けにより、著しい可逆的なひずみと剛性の特性が明らかになりました。
- 細胞培養デバイスへの応用を実証しました。
- 心筋細胞の挙動に影響を与える可能性。
結論
- LCEsは組織工学の応用で効果的に使用できます。
- この方法は様々な研究室でアクセス可能です。
- 将来の研究では、生物医学分野でのさらなる応用を探る可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Liquid crystal elastomers (LCEs) provide shape-responsive substrates that enable dynamic mechanical stimulation of cells, supporting mechanistic studies of how physical cues influence cell behavior in tissue engineering and regenerative medicine. Their low-cost, equipment-free synthesis allows broad adoption across academic and industrial R&D labs for screening biomaterials that mimic native extracellular matrix dynamics. This approach aids in de-risking target validation by linking material-induced strain to functional outcomes in cardiac and other cell types.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how mechanical strain influences cardiac cell differentiation, maturation, and function.
- Operational Value: Uses accessible materials and procedures to generate reproducible, tunable mechanical inputs for hypothesis testing.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces standardized, aligned LCE substrates with quantifiable reversible strain for consistent cell culture assays.
- Operational Value: Supports high-throughput evaluation of cell responses to mechanical stimulation via thermal or electrical triggers.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Mimics physiological mechanical environments to assess cardiac cell sheet development and contractile behavior.
- Operational Value: Integrates with custom 3D-printed vessels and carbon rod electrodes for electrically stimulated, long-term culture studies.
Pipeline & Workflow Integration
LCE preparation fits within early discovery workflows where mechanical phenotype screening informs target validation and lead optimization in tissue-engineered therapies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how extracellular matrix mechanics regulate cell alignment, growth, and signaling pathways.
- Screening: Delivers reproducible, shape-changing substrates that enable quantitative assessment of cell responses to controlled strain.
- Analytics: Provides measurable outputs including reversible strain percentage, stiffness changes, and liquid crystal ordering via DMA and imaging.
- Translational Research: Bridges discovery to preclinical models by enabling study of cell maturation under dynamic mechanical conditions relevant to cardiac tissue.
- Enterprise Reuse: Represents a modular platform adaptable to various cell types and stimulation modes (thermal, electrical) for repeated use in mechanobiology screening.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in cell-material interactions by providing defined, dynamic mechanical cues.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through simple fabrication and alignment procedures.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in biomaterial development by predicting functional outcomes under physiological strain.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of LCE-based substrates based on their ability to elicit desired cell responses.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer synthesis, material alignment, and mechanical characterization techniques.
- Needs access to ovens, hotplates, tensile testing setups, and imaging tools for strain quantification.
- Demands standardization of hanging weight, alignment duration, and stimulation protocols across teams.
- Involves adaptation considerations when transferring protocols to different cell types or matrix coatings.
- Includes practical limitations such as sample fragility during handling and the need for controlled environmental conditions during crosslinking and stimulation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:23
Synthesis of Aligned Polysiloxane Liquid Crystal Elastomers
3:24
Preparation of Electrically Responsive Polysiloxane LCE Nanocomposites
4:30
Preparation of Reversible Expoxy-based LCEs
6:42
Thermal Testing and Characterization of LCEs
7:45
Active Cell Culture through Electrical Stimulation of LCE Nanocomposites
10:01
Results: Shape-response of LCEs and LCE Nanocomposites
11:11
Conclusion
