Preparação de Monodomain cristal líquido elastômeros e de cristal líquido Elastomer nanocompósitos

O objetivo geral deste procedimento é preparar elastômeros e nanocompósitos de cristal líquido alinhados e responsivos à forma. Portanto, os elastômeros de cristal líquido são materiais responsivos a estímulos que mudam de forma em resposta a estímulos no ambiente. E eles podem ser usados em uma variedade de aplicações, como engenharia de tecidos, onde sabemos que as células respondem a tensões e tensões no ambiente.

Neste procedimento que vamos demonstrar, contamos com materiais de baixo custo. O método que demonstramos é confiável e pode ser implementado em qualquer laboratório sem a necessidade de equipamentos caros ou especializados. Esses materiais podem ser aplicados ao desenvolvimento de folhas de células cardíacas, onde sabemos que tensões e tensões podem afetar a diferenciação, a maturação e a função das células do músculo cardíaco.

A demonstração visual desse procedimento é importante porque o processo pode ser difícil de aprender e as amostras especialmente delicadas quando estamos pendurando, carregando e reticulando. Assim, demonstrando o procedimento estarão Hojin Kim, Bohan Zhu e Huiying Chen, alunos do nosso laboratório e do Laboratório Jeff Jaycot. Comece combinando 166,23 miligramas de um mesogênio reativo, 40 miligramas de siloxano e 12,8 miligramas de reticulador com 0,6 mililitros de tolueno anidro em um pequeno frasco carregado com uma barra de agitação.

Agite a solução a 35 graus Celsius por 25 minutos para que os reagentes se dissolvam completamente. Em um frasco separado, prepare uma solução de um peso percentual de um catalisador de platina em diclorometano. Em seguida, adicione 30 microlitros da solução catalisadora à solução previamente preparada e mexa a mistura com a barra de agitação.

Em seguida, despeje a solução em um molde retangular de politetrafluoretileno feito sob medida. Cubra o molde frouxamente com uma lâmina de vidro e leve ao forno a 60 graus Celsius por 30 minutos. Agite o molde periodicamente para remover as bolhas durante os primeiros 15 minutos.

Remova o molde do forno e resfrie-o rapidamente com nitrogênio líquido, despejando nitrogênio líquido em um pequeno recipiente e entrando em contato com o fundo do molde de PTFE com o nitrogênio líquido por 2 segundos. Assim que a mistura esfriar, coloque uma folha de PTFE e use uma espátula de metal para remover cuidadosamente o elastômero do molde e colocá-lo em cima da folha. Em seguida, use uma lâmina de barbear para aparar as bordas do elastômero de cristal líquido e corte-o ao longo de seu comprimento em três pedaços de tamanhos iguais.

Pendure cada peça em uma haste horizontal e segure o elastômero no lugar usando fita adesiva. Adicione um clipe de papel de cada vez ao final dos elastômeros em incrementos de 10 minutos. Deixe-os pendurados por sete dias em temperatura ambiente e observe quaisquer alterações no comprimento ou uniformidade.

Descarte qualquer amostra que rasgue ou quebre. Para preparar um nanocompósito de elastômero de cristal líquido eletricamente responsivo, adicione 4,38 miligramas de nanopartículas de negro de fumo à solução de reação contendo o mesogênio reativo, o reticulador e o siloxano. Durante a etapa de suspensão da fabricação, use um total de cinco clipes de papel em vez de 10 para carregar a amostra.

Adicione nanopartículas adicionais de negro de fumo à superfície do elastômero de cristal líquido. Prepare uma solução de 1% de peso por volume de nanopartículas de negro de fumo em tolueno. Sonicar a solução por 20 minutos para dispersar as nanopartículas de carbono e, em seguida, despejar a dispersão em uma placa de Petri.

Em seguida, mergulhe os elastômeros de cristal líquido na dispersão de nanopartículas por seis horas. Uma vez removido da solução, use a pipeta para retirar o excesso de solução da placa de Petri e deixe o elastômero secar ao ar. Limpe suavemente o excesso de partículas de carbono na superfície usando fita adesiva ou cotonete.

Para preparar elastômeros de cristal líquido reversíveis à base de epóxi, misture 246,15 miligramas de quatro quatro diglicidil diloxi bifenil primário, 101 miligramas de ácido sebácico, 71,6 miligramas de ácido hexadecanodióico e 76 miligramas de PDMS terminado em carboxidecil no molde retangular de PTFE. Aqueça as amostras colocando-as em uma placa de aquecimento a 180 graus Celsius. Em seguida, adicione 11,48 miligramas de catalisador e use uma pinça de metal pré-aquecida a 180 graus Celsius para mexer a mistura.

Continue a mexer a mistura periodicamente para remover as bolhas geradas pela reação. Continue reagindo a mistura por aproximadamente 20 minutos. Depois de gelificado, remova o recipiente de PTFE da placa de aquecimento e deixe a mistura esfriar até a temperatura ambiente.

Em seguida, use uma lâmina de barbear para separar o elastômero do molde de PTFE. Em seguida, coloque duas folhas de PTFE em uma prensa de polímero a 180 graus Celsius. Coloque o elastômero entre as folhas de PTFE e comprima a amostra com uma espessura de 0,3 a 0,5 milímetros.

Continue aquecendo o elastômero a 180 graus Celsius por quatro horas. Após quatro horas, remova a amostra e resfrie-a até a temperatura ambiente. Em seguida, corte a amostra em pedaços retangulares, com 2,5 centímetros de comprimento e 0,5 centímetros de largura.

Pendure a amostra em uma extremidade usando fita de poliimida dentro de um forno de aquecimento. Anexe 12 clipes de papel com um peso total de 8,88 gramas à extremidade livre da amostra. Em seguida, ajuste a temperatura do forno para 165 graus Celsius e aqueça as amostras durante a noite.

Retire o elastômero do forno e observe a mudança no comprimento. Em seguida, aqueça a amostra a 80 graus Celsius em uma placa de aquecimento para remover a tensão residual e, em seguida, resfrie de volta à temperatura ambiente. Meça a deformação reversível colocando as amostras em uma placa de aquecimento e aquecendo a placa de volta até 120 graus Celsius.

Visualize a amostra em temperatura ambiente após aquecer a 120 graus Celsius e após resfriar de volta à temperatura ambiente. Use as imagens para medir o comprimento da amostra em cada etapa. Para medições termomecânicas, use uma lâmina de barbear para cortar manualmente as amostras com dimensões de dois centímetros por 0,3 centímetros e prenda-as cuidadosamente, uma de cada vez, entre os grampos de tensão.

Aplique uma força de um milinewton à amostra para primeiro remover qualquer folga. Em seguida, equilibre termicamente as amostras a 30 graus Celsius, seguidas de ciclos de aquecimento e resfriamento. Aqueça a amostra a cinco graus Celsius por minuto, de 30 graus Celsius a 120 graus Celsius.

Registre as mudanças no comprimento e largura da amostra durante a mudança de temperatura. Trate uma superfície de nanocompósitos de elastômero de cristal líquido sob plasma de oxigênio por 30 segundos. Em seguida, gire 300 microlitros de uma solução de poliestireno a 1% de peso por volume em tolueno a 3.300 rpm por um minuto em cima da superfície limpa com plasma.

Seque o elastômero sob vácuo por 12 horas para remover o tolueno. Em seguida, trate a superfície revestida de poliestireno do nanocompósito LCE usando plasma de oxigênio por 30 segundos. Esterilize os nanocompósitos de elastômero tratados com plasma em etanol a 70% por 30 minutos.

E depois lave-os com solução salina tamponada com fosfato. Transfira os nanocompósitos de elastômero lavados para uma placa de Petri seca com o lado revestido de poliestireno voltado para cima. Em seguida, adicione cinco mililitros de solução de colágeno tipo um a um prato e cubra toda a superfície das amostras imergindo-as na solução de colágeno.

Em seguida, cubra as amostras e incube-as a 37 graus Celsius e 5% de dióxido de carbono por pelo menos 30 minutos. Placa isolada de cardiomiócitos ventriculares de ratos neonatais em cima dos substratos a uma densidade de 100.000 a 600.000 células por centímetro quadrado. Cultive as células conforme descrito no protocolo de texto que acompanha.

Uma vez que as células estejam firmemente presas, transfira os nanocompósitos de elastômero de cristal líquido semeados para um recipiente personalizado impresso em 3D. Em seguida, insira uma peça de plástico retangular através dos entalhes no recipiente 3D para manter o elastômero de cristal líquido no lugar em uma ou ambas as extremidades. Coloque a amostra nas hastes de carbono e fixe-a em uma extremidade para garantir um bom contato elétrico.

Certifique-se de que o recipiente esteja cheio com meios de manutenção de cultura de células e esteja equipado com hastes de carbono condutoras paralelas conectadas a uma fonte elétrica. Estimule eletricamente os elastômeros de cristal líquido com um potencial elétrico de 40 volts A/C, que tem um tempo de desligamento de cinco segundos por um total de 24 horas. Os elastômeros de cristal líquido se contraem e se alongam reversivelmente quando aquecidos da temperatura ambiente acima da temperatura de transição nemática para isotrópica, aproximadamente 80 graus Celsius.

A análise mecânica dinâmica fornece uma medida quantitativa da mudança na forma do elastômero de cristal líquido em função da temperatura. A amostra descrita pelo gráfico aqui apresentado foi aquecida e resfriada por quatro ciclos. Uma vez aquecidas, as amostras apresentam cerca de 35% de encurtamento na direção em que foram penduradas durante a fabricação.

A amostra também se expande de 25 a 30% na direção perpendicular. Os nanocompósitos de elastômero de cristal líquido se contraem na aplicação de um potencial elétrico. Quando expostos a 40 volts A/C, os nanocompósitos de elastômero de cristal líquido encurtam cerca de 22 1/2% na direção em que foram pendurados durante a fabricação.

Aqui, as amostras foram expostas a um ciclo liga-desliga a cada 15 segundos. Assim, uma vez que o procedimento seja dominado, ele pode ser concluído em duas horas e toda a síntese estará completa após uma semana após pendurar a amostra. Ao tentar este procedimento, é importante que você se lembre de pendurar o LC com a quantidade correta de peso.

Caso contrário, você pode não alinhar a amostra corretamente ou quebrá-la durante a fabricação. Seguindo este procedimento, você pode adicionar outros tipos de aditivos ao LCE, como nanotubos de carbono, para entender qual resposta de estímulo ele pode ter. Esperamos que esta pesquisa abra caminho para biólogos e bioengenheiros moldarem substratos responsivos para investigar o efeito do estresse e da tensão no crescimento celular, alinhamento celular e comportamento celular.

Então, depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fazer elastômeros de cristal líquido alinhados e responsivos à forma e nanocompósitos de elastômero de cristal líquido.