Voorbereiding van de Monodomain Liquid Crystal Elastomers en Liquid Crystal elastomeer Nanocomposieten
6 februari 2016
We demonstreren de bereiding van op siloxaan-gebaseerde en op epoxy-gebaseerde vloeibare kristal elastomeren (LCEs) en LCE-nanocomposietmaterialen. De LCEs worden gekenmerkt met betrekking tot omkeerbare spanning, vloeibare kristal ordening en stijfheid. Als een mogelijke toepassing demonstreren we hun gebruik als vormgevoelige substraten in een op maat gemaakt apparaat voor actieve celkweek.
Het algemene doel van deze procedure is om uitgelijnde, vormgevoelige, vloeibare kristal elastomeren en nanocomposieten te bereiden. Dus vloeibare kristal elastomeren zijn stimuli-responsieve materialen die van vorm veranderen als reactie op stimuli in de omgeving. En ze kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals weefselengineering, waar we weten dat cellen reageren op spanningen en vervormingen in de omgeving.
In deze procedure die we gaan demonstreren, vertrouwen we op materialen die goedkoop zijn. De methode die we demonstreren is betrouwbaar en kan in elk lab worden geïmplementeerd zonder dat dure of gespecialiseerde apparatuur nodig is. Deze materialen kunnen worden toegepast op de ontwikkeling van hartcelvellen, waar we weten dat spanningen en vervormingen de differentiatie, de rijping en de functie van hartspiercellen kunnen beïnvloeden.
Visuele demonstratie van deze procedure is belangrijk omdat het proces moeilijk te leren kan zijn en de monsters vooral delicaat zijn wanneer we ze ophangen, laden en verknoplen. Dus, de procedure zal worden gedemonstreerd door Hojin Kim, Bohan Zhu en Huiying Chen, studenten van ons laboratorium en het Jeff Jaycot Laboratorium. Begin door 166,23 milligram van een reactieve mesogene, 40 milligram siloxaan en 12,8 milligram verbindingsmiddel met 0,6 milliliter anhydrisch tolueen in een klein glas te combineren met een roerlat.
Roer de oplossing gedurende 25 minuten bij 35 graden Celsius zodat de reagentia volledig oplossen. In een apart glas, bereid een eengewichtprocent oplossing van een platina katalysator in dichloormethaan. Voeg vervolgens 30 microliter van de katalysatoroplossing toe aan de eerder bereide oplossing en roer het mengsel met de roerlat.
Giet vervolgens de oplossing in een op maat gemaakte, rechthoekige polytetrafluorethyleen mal. Bedek de mal losjes met een glazen plaat en plaats deze in een oven op 60 graden Celsius gedurende 30 minuten. Schud de mal periodiek gedurende de eerste 15 minuten om luchtbellen te verwijderen.
Verwijder de mal uit de oven en koel deze snel af met vloeibare stikstof door vloeibare stikstof in een kleine container te gieten en de bodem van de PTFE mal gedurende 2 seconden in contact te brengen met de vloeibare stikstof. Zodra het mengsel is afgekoeld, plaats een PTFE blad en gebruik een metalen spatel om voorzichtig de elastomeer uit de mal te verwijderen en deze op het blad te plaatsen. Gebruik vervolgens een scheermes om de randen van de vloeibare kristal elastomeer bij te snijden en snijd hem in drie gelijke stukken langs de lengte.
Hang elk stuk aan een horizontale staaf en houd de elastomeer op zijn plaats met plakband. Voeg elke 10 minuten een paperclip toe aan het uiteinde van de elastomeren. Laat ze zeven dagen bij kamertemperatuur hangen en noteer eventuele veranderingen in lengte of uniformiteit.
Gooi elk monster weg dat scheurt of breekt. Om een elektrisch responsieve, vloeibare kristal elastomeer nanocomposiet te bereiden, voeg 4,38 milligram koolzwart nanodeeltjes toe aan de reactieloplossing die de reactieve mesogene, het verbindingsmiddel en siloxaan bevat. Gedurende de ophangstap van de fabricage, gebruik een totaal van vijf paperclips in plaats van 10 om het monster te laden.
Voeg extra koolzwart nanodeeltjes toe aan het oppervlak van de vloeibare kristal elastomeer. Bereid een 1% gewicht per volume oplossing van koolzwart nanodeeltjes in tolueen. Soniceer de oplossing gedurende 20 minuten om koolstofnanodeeltjes te verspreiden en giet vervolgens de dispersie in een petrischaal.
Dompel vervolgens de vloeibare kristal elastomeren gedurende zes uur in de nanodeeltjesdispersie. Zodra ze uit de oplossing zijn verwijderd, gebruik de pipet om overtollige oplossing uit de petrischaal te trekken en laat de elastomeer in de lucht drogen. Reinig voorzichtig overtollige koolstofdeeltjes op het oppervlak met plakband of een wattenstaafje.
Om omkeerbare epoxy-gebaseerde vloeibare kristal elastomeren te bereiden, meng 246,15 milligram van vier vier prime diglycidyl dioxy bifenyl, 101 milligram sebacinezuur, 71,6 milligram hexadecaandioic zuur en 76 milligram carboxydecylverbonden PDMS in de rechthoekige PTFE mal. Verwarm de monsters door ze op een hotplate op 180 graden Celsius te plaatsen. Voeg vervolgens 11,48 milligram katalysator toe en gebruik metalen pincetten voorverwarmd tot 180 graden Celsius om het mengsel te roeren.
Blijf het mengsel periodiek roeren om luchtbellen te verwijderen die door de reactie worden gegenereerd. Blijf het mengsel ongeveer 20 minuten reageren. Zodra het is gegeleerd, verwijder de PTFE boot van de hotplate en laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur.
Gebruik vervolgens een scheermes om de elastomeer te scheiden van de PTFE mal. Plaats vervolgens twee PTFE vellen in een polymeerpers op 180 graden Celsius. Plaats de elastomeer tussen de PTFE vellen en comprimeer het monster tot een dikte van 0,3 tot 0,5 millimeter.
Verwarm de elastomeer gedurende vier uur op 180 graden Celsius. Na vier uur, verwijder het monster en laat het afkoelen tot kamertemperatuur. Snijd vervolgens het monster in rechthoekige stukken, 2,5 centimeter lang en 0,5 centimeter breed.
Hang het monster aan één uiteinde met behulp van polyimide tape in een verwarmingsoven. Bevestig 12 paperclips met een totaal gewicht van 8,88 gram aan het vrije uiteinde van het monster. Stel vervolgens de temperatuur van de oven in op 165 graden Celsius en verwarm de monsters een nacht lang.
Verwijder de elastomeer uit de oven en noteer de verandering in lengte. Verwarm vervolgens het monster op een hotplate tot 80 graden Celsius om restspanning te verwijderen, koel vervolgens terug af tot kamertemperatuur. Meet de omkeerbare spanning door de monsters op een hotplate te plaatsen en de plaat weer op te warmen tot 120 graden Celsius.
Beeld het monster af bij kamertemperatuur na het verwarmen tot 120 graden Celsius en na het afkoelen tot kamertemperatuur. Gebruik de beelden om de monsterlengte bij elke stap te meten. Voor thermomechanische metingen
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel demonstreert de preparatie van siloxaan-gebaseerde en epoxy-gebaseerde vloeibare kristal elastomeren (LCE's) en hun nanocomposieten. De studie richt zich op hun karakterisering in termen van reversibele rek, vloeibaar kristal-ordening en stijfheid, waarbij hun potentiële toepassing als vorm-responsieve substraten in actieve celkweekapparaten wordt getoond.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Materiaalkunde
- Biotechnologie
- Celkweek
Achtergrond
- Vloeibaarkristal-elastomeren zijn stimuli-responsieve materialen.
- Ze veranderen van vorm als reactie op omgevingsprikkels.
- Toepassingen omvatten weefseltechnologie en cardiale celvellen.
- Er wordt nadruk gelegd op goedkope materialen en methoden voor implementatie in het laboratorium.
Doel van de studie
- Om uitgelijnde, vormresponsieve vloeibaar-kristal laasteomeren te bereiden.
- Om hun gebruik te onderzoeken in toepassingen die het celgedrag beïnvloeden.
- Om een betrouwbare methode voor de bereiding van LCE's aan te tonen.
Gebruikte methoden
- Bereiding van LCE's op basis van siloxaan en epoxy.
- Karakterisering van LCE's voor rek en stijfheid.
- Ontwikkeling van een op maat gemaakt apparaat voor actieve celkweek.
- Implementatie van goedkope materialen en methoden.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle bereiding van LCE's en nanocomposieten.
- Karakterisering onthulde significante reversibele rek- en stijfheidseigenschappen.
- Gedemonstreerde toepassing in een apparaat voor celkweek.
- Potentieel voor het beïnvloeden van het gedrag van hartspiercellen.
Conclusies
- LCE's kunnen effectief worden ingezet in toepassingen voor tissue engineering.
- De methode is toegankelijk voor diverse onderzoekslaboratoria.
- Toekomstige studies kunnen verdere toepassingen in biomedische velden verkennen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Vloeibaar-kristallijne elastomeren (LCE's) vormen vormresponsieve substraten die dynamische mechanische stimulatie van cellen mogelijk maken, wat mechanistische studies ondersteunt naar hoe fysieke prikkels het celgedrag beïnvloeden in weefselengineering en regeneratieve geneeskunde. Hun goedkope synthese, waarvoor geen speciale apparatuur nodig is, maakt brede adoptie mogelijk in academische en industriële R&D-laboratoria voor het screenen van biomaterialen die de dynamiek van de natuurlijke extracellulaire matrix nabootsen. Deze aanpak helpt bij het verminderen van risico's bij de validatie van targets door materiaal-geïnduceerde rek te koppelen aan functionele resultaten in cardiacen en andere celtypen.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar hoe mechanische rek de differentiatie, rijping en functie van hartcellen beïnvloedt.
- Operationele waarde: Maakt gebruik van toegankelijke materialen en procedures om reproduceerbare, instelbare mechanische inputs te genereren voor hypothesetoetsing.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert gestandaardiseerde, uitgelijnde LCE-substraten met kwantificeerbare reversibele rek voor consistente celkweekassays.
- Operationele waarde: Ondersteunt high-throughput evaluatie van celresponsen op mechanische stimulatie via thermische of elektrische triggers.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Bootst fysiologische mechanische omgevingen na om de ontwikkeling van cardiale celvellen en het contractiele gedrag te beoordelen.
- Operationele waarde: Integreert met op maat gemaakte 3D-geprinte vaten en koolstofstaven als elektroden voor langdurige kweekstudies met elektrische stimulatie.
Integratie van Pipeline & Workflow
De bereiding van LCE past binnen vroege discovery-workflows, waarbij screening van mechanische fenotypes bijdraagt aan targetvalidatie en lead-optimalisatie in weefseltechnologische therapieën.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetests over hoe de mechanica van de extracellulaire matrix de celuitlijning, groei en signaleringspaden reguleert.
- Screening: Levert reproduceerbare, van vorm veranderende substraten die een kwantitatieve beoordeling mogelijk maken van celresponsen op gecontroleerde rek.
- Analytics: Biedt meetbare resultaten, waaronder het percentage reversibele rek, stijfheidsveranderingen en vloeibaarkristalordening via DMA en imaging.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen fundamenteel onderzoek en preklinische modellen door de studie naar celrijping onder dynamische mechanische condities die relevant zijn voor hartweefsel mogelijk te maken.
- Bedrijfsvoering en hergebruik: Vormt een modulair platform dat aanpasbaar is aan diverse celtypen en stimulatiemodi (thermisch, elektrisch) voor herhaaldelijk gebruik in mechanobiologische screening.
Operationele impact & impact op de onderneming
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in cel-materiaalinteracties door het bieden van gedefinieerde, dynamische mechanische signalen.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie en schaalbaarheid door middel van eenvoudige fabricage- en uitlijnprocedures.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen bij de ontwikkeling van biomaterialen door functionele uitkomsten onder fysiologische spanning te voorspellen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van LCE-gebaseerde substraten mogelijk op basis van hun vermogen om de gewenste celresponsen op te wekken.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in polymeersynthese, materiaaluitlijning en mechanische karakteriseringstechnieken.
- Vereist toegang tot ovens, warmteplaten, trekproefopstellingen en beeldvormingstools voor rekkwantificering.
- Vraagt om standaardisatie van het hangende gewicht, de uitlijningsduur en stimulatieprotocollen tussen verschillende teams.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het overbrengen van protocollen naar verschillende celtypen of matrixcoatings.
- Bevat praktische beperkingen, zoals de kwetsbaarheid van monsters tijdens hantering en de noodzaak van gecontroleerde omgevingscondities tijdens crosslinking en stimulatie.
Biopharma Veelgestelde Vragen
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
