Otrzymywanie monodomenowych elastomerów ciekłokrystalicznych i nanokompozytów elastomerów ciekłokrystalicznych

Ogólnym celem tej procedury jest przygotowanie wyrównanych, reagujących na kształt, elastomerów ciekłokrystalicznych i nanokompozytów. Tak więc elastomery ciekłokrystaliczne są materiałami reagującymi na bodźce, które zmieniają kształt w odpowiedzi na bodźce w środowisku. Mogą być wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak inżynieria tkankowa, gdzie wiemy, że komórki reagują na stresy i napięcia w środowisku.

W tej procedurze, którą zamierzamy zademonstrować, polegamy na materiałach, które są tanie. Demonstrowana przez nas metoda jest niezawodna i może być wdrożona w każdym laboratorium bez konieczności stosowania drogiego lub specjalistycznego sprzętu. Materiały te mogą być stosowane do opracowywania arkuszy komórek serca, w przypadku których wiemy, że naprężenia i naprężenia mogą wpływać na różnicowanie, dojrzewanie i funkcję komórek mięśnia sercowego.

Wizualna demonstracja tej procedury jest ważna, ponieważ proces ten może być trudny do nauczenia, a próbki są szczególnie delikatne, gdy je wieszamy, ładujemy i sieciujemy. Tak więc procedurę zademonstrują Hojin Kim, Bohan Zhu i Huiying Chen, studenci z naszego laboratorium i Laboratorium Jeffa Jaycota. Zacznij od połączenia 166,23 miligramów reaktywnego mezogenu, 40 miligramów siloksanu i 12,8 miligramów środka sieciującego z 0,6 mililitra bezwodnego toluenu w małej fiolce naładowanej mieszadłem.

Mieszaj roztwór w temperaturze 35 stopni Celsjusza przez 25 minut, aby odczynniki całkowicie się rozpuściły. W osobnej fiolce należy przygotować jednoprocentowy roztwór katalizatora platynowego w dichlorometanie. Następnie do wcześniej przygotowanego roztworu katalizatora dodać 30 mikrolitrów roztworu katalizatora i wymieszać mieszaninę z mieszadłem.

Następnie wlej roztwór do wykonanej na zamówienie, prostokątnej formy z politetrafluoroetylenu. Przykryj formę luźno szkiełkiem podstawowym i wstaw do piekarnika nagrzanego do 60 stopni Celsjusza na 30 minut. Okresowo potrząsaj formą, aby usunąć bąbelki w ciągu pierwszych 15 minut.

Wyjmij formę z piekarnika i szybko schłodzić ją ciekłym azotem, wlewając ciekły azot do małego pojemnika i stykając dno formy PTFE z ciekłym azotem przez 2 sekundy. Gdy mieszanina ostygnie, odłóż arkusz PTFE i za pomocą metalowej szpatułki ostrożnie wyjmij elastomer z formy i umieść go na wierzchu arkusza. Następnie za pomocą żyletki przyciąć krawędzie elastomeru ciekłokrystalicznego i przeciąć go wzdłuż jego długości na trzy równe kawałki.

Zawieś każdy element na poziomym pręcie i przytrzymaj elastomer na miejscu za pomocą taśmy. Dodawaj po jednym spinaczu do papieru na końcu elastomerów w 10-minutowych odstępach. Pozwól im wisieć przez siedem dni w temperaturze pokojowej i odnotuj wszelkie zmiany w długości lub jednorodności.

Wyrzuć każdą próbkę, która rozrywa się lub pęka. Aby przygotować reagujący elektrycznie nanokompozyt z elastomeru ciekłokrystalicznego, należy dodać 4,38 miligrama nanocząstek sadzy do roztworu reakcyjnego zawierającego reaktywny mezogen, środek sieciujący i siloksan. Na etapie zawieszania produkcji użyj łącznie pięciu spinaczy do papieru zamiast 10, aby załadować próbkę.

Dodaj dodatkowe nanocząstki sadzy do powierzchni elastomeru ciekłokrystalicznego. Przygotować 1% roztwór nanocząstek sadzy w toluenie o stężeniu 1% wagowym na objętość. Sonikować roztwór przez 20 minut, aby rozproszyć nanocząstki węgla, a następnie wlać dyspersję na szalkę Petriego.

Następnie zanurz elastomery ciekłokrystaliczne w dyspersji nanocząstek na sześć godzin. Po wyjęciu z roztworu za pomocą pipety pobrać nadmiar roztworu z płytki Petriego i pozostawić elastomer do wyschnięcia na powietrzu. Delikatnie wyczyść nadmiar cząsteczek węgla na powierzchni za pomocą taśmy lub bawełnianego wacika.

Aby przygotować odwracalne elastomery ciekłokrystaliczne na bazie żywicy epoksydowej, wymieszaj 246,15 miligramów czterech głównych diloksyli diglicydylu bifenylu, 101 miligramów kwasu sebacynowego, 71,6 miligramów kwasu heksadekanodiowego i 76 miligramów PDMS zakończonych karboksydecylem w prostokątnej formie PTFE. Podgrzej próbki, umieszczając je na płycie grzejnej w temperaturze 180 stopni Celsjusza. Następnie dodaj 11,48 miligrama katalizatora i użyj metalowej pęsety podgrzanej do 180 stopni Celsjusza, aby wymieszać mieszaninę.

Kontynuuj okresowe mieszanie mieszaniny, aby usunąć pęcherzyki powstałe w wyniku reakcji. Kontynuować reakcję mieszaniny przez około 20 minut. Po zżelowaniu wyjmij łódkę z PTFE z płyty grzejnej i pozwól mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej.

Następnie użyj żyletki, aby oddzielić elastomer od formy PTFE. Następnie umieść dwa arkusze PTFE w prasie polimerowej w temperaturze 180 stopni Celsjusza. Umieść elastomer między arkuszami PTFE i ściśnij próbkę do grubości od 0,3 do 0,5 milimetra.

Kontynuuj podgrzewanie elastomeru w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez cztery godziny. Po czterech godzinach wyjąć próbkę i schłodzić ją do temperatury pokojowej. Następnie pokrój próbkę na prostokątne kawałki o długości 2,5 centymetra i szerokości 0,5 centymetra.

Zawiesić próbkę na jednym końcu za pomocą taśmy poliamidowej w piecu grzewczym. Przymocuj 12 spinaczy do papieru o łącznej wadze 8,88 grama do wolnego końca próbki. Następnie ustaw temperaturę piekarnika na 165 stopni Celsjusza i podgrzej próbki przez noc.

Wyjmij elastomer z piekarnika i zwróć uwagę na zmianę długości. Następnie podgrzej próbkę do 80 stopni Celsjusza na płycie grzejnej, aby usunąć naprężenia szczątkowe, a następnie schłodzić z powrotem do temperatury pokojowej. Zmierz odkształcenie odwracalne, umieszczając próbki na płycie grzejnej i podgrzewając ją z powrotem do 120 stopni Celsjusza.

Zobrazuj próbkę w temperaturze pokojowej po podgrzaniu do 120 stopni Celsjusza i po schłodzeniu z powrotem do temperatury pokojowej. Użyj obrazów, aby zmierzyć długość próbki na każdym kroku. W przypadku pomiarów termomechanicznych za pomocą żyletki ręcznie przyciąć próbki do wymiarów dwa centymetry na 0,3 centymetra i ostrożnie przymocować je, pojedynczo, między zaciskami napinającymi.

Przyłóż do próbki siłę jednego miliniutona, aby najpierw usunąć wszelkie luzy. Następnie zrównoważyć termicznie próbki w temperaturze 30 stopni Celsjusza, po czym nastąpią cykle ogrzewania i chłodzenia. Podgrzać próbkę w temperaturze pięciu stopni Celsjusza na minutę od 30 stopni Celsjusza do 120 stopni Celsjusza.

Rejestrować zmiany długości i szerokości próbki podczas zmiany temperatury. Poddać jedną powierzchnię nanokompozytów elastomerów ciekłokrystalicznych plazmie tlenowej przez 30 sekund. Następnie odlać 300 mikrolitrów roztworu polistyrenu w toluenie o stężeniu 1% na objętość z prędkością 3300 obr./min przez jedną minutę na wierzchu oczyszczonej plazmowo powierzchni.

Suszyć elastomer w próżni przez 12 godzin, aby usunąć toluen. A następnie potraktuj pokrytą polistyrenem powierzchnię nanokompozytu LCE za pomocą plazmy tlenowej przez 30 sekund. Sterylizuj nanokompozyty elastomerowe poddane obróbce plazmowej w 70% etanolu przez 30 minut.

A następnie umyj je solą fizjologiczną buforowaną fosforanami. Umyte nanokompozyty elastomerowe przenieść na suchą szalkę Petriego stroną pokrytą polistyrenem skierowaną do góry. Następnie dodaj pięć mililitrów roztworu kolagenu typu pierwszego do naczynia i pokryj całą powierzchnię próbek, zanurzając je w roztworze kolagenu.

Następnie przykryj próbki i inkubuj je w temperaturze 37 stopni Celsjusza i 5% dwutlenku węgla przez co najmniej 30 minut. Kardiomiocyty komorowe noworodków szczurów izolowane na wierzchu substratów o gęstości od 100 000 do 600 000 komórek na centymetr kwadratowy. Hodować komórki zgodnie z opisem w dołączonym protokole tekstowym.

Gdy komórki mocno się przyczepią, przenieś zasiane nanokompozyty z elastomeru ciekłokrystalicznego do niestandardowego, wydrukowanego w 3D naczynia. Następnie włóż prostokątny plastikowy element przez nacięcia w naczyniu 3D, aby utrzymać elastomer ciekłokrystaliczny na miejscu na jednym lub obu końcach. Umieść próbkę w poprzek prętów węglowych i zamocuj ją na jednym końcu, aby zapewnić dobry kontakt elektryczny.

Upewnij się, że naczynie jest wypełnione pożywką do konserwacji kultur komórkowych i jest wyposażone w równoległe przewodzące pręty węglowe podłączone do źródła elektrycznego. Elektrycznie stymulowane elastomery ciekłokrystaliczne o potencjale elektrycznym 40 V A/C, które mają pięciosekundowy czas włączenia wyłączony, co daje łącznie 24 godziny. Elastomery ciekłokrystaliczne kurczą się i wydłużają odwracalnie po podgrzaniu z temperatury pokojowej powyżej temperatury przejścia nematycznego do izotropowego, około 80 stopni Celsjusza.

Dynamiczna analiza mechaniczna zapewnia ilościową miarę zmiany kształtu elastomeru ciekłokrystalicznego w funkcji temperatury. Próbka opisana na przedstawionym wykresie była podgrzewana i chłodzona przez cztery cykle. Po podgrzaniu próbki wykazują około 35% skrócenie w kierunku, w którym zostały zawieszone podczas produkcji.

Próbka rozszerza się również o 25 do 30% w kierunku prostopadłym. Nanokompozyty z elastomerów ciekłokrystalicznych kurczą się pod wpływem potencjału elektrycznego. Po wystawieniu na działanie prądu przemiennego o napięciu 40 V nanokompozyty z elastomeru ciekłokrystalicznego skracają się o około 22 1/2% w kierunku, w którym zostały zawieszone podczas produkcji.

W tym przypadku próbki były poddawane cyklowi włączania co 15 sekund. Tak więc po opanowaniu procedury można ją zakończyć w ciągu dwóch godzin, a cała synteza zostanie zakończona po tygodniu od zawieszenia próbki. Próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby pamiętać o zawieszeniu LC z odpowiednią wagą.

W przeciwnym razie możesz nie wyrównać próbki prawidłowo lub złamać ją podczas wytwarzania. Postępując zgodnie z tą procedurą, możesz dodać inne rodzaje dodatków do LCE, takie jak nanorurki węglowe, aby zrozumieć, jaką reakcję na bodźce może mieć. Mamy nadzieję, że te badania utorują drogę biologom i bioinżynierom do kształtowania responsywnych substratów w celu zbadania wpływu stresu i obciążenia na wzrost komórek, wyrównanie komórek i zachowanie komórek.

Dlatego po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak tworzyć wyrównane, reagujące na kształt elastomery ciekłokrystaliczne i nanokompozyty z elastomerów ciekłokrystalicznych.