Получение Monodomain жидкокристаллический эластомеров и жидкокристаллический эластомерных нанокомпозитов

Общая цель этой процедуры заключается в получении выровненных, реагирующих на форму, жидкокристаллических эластомеров и нанокомпозитов. Таким образом, жидкокристаллические эластомеры являются веществами, реагирующими на стимулы, которые меняют форму в ответ на стимулы окружающей среды. И они могут быть использованы в различных приложениях, таких как тканевая инженерия, где, как мы знаем, клетки реагируют на стрессы и напряжения в окружающей среде.

В этой процедуре, которую мы собираемся продемонстрировать, мы полагаемся на недорогие материалы. Метод, который мы демонстрируем, надежен и может быть реализован в любой лаборатории без необходимости использования дорогостоящего или специализированного оборудования. Эти материалы могут быть применены для разработки листов сердечных клеток, где мы знаем, что стрессы и деформации могут влиять на дифференцировку, созревание и функцию клеток сердечной мышцы.

Визуальная демонстрация этой процедуры важна, потому что процесс может быть сложным для изучения, а образцы особенно хрупкими, когда мы подвешиваем, загружаем и сшиваем их. Итак, демонстрировать процедуру будут Ходжин Ким, Бохан Чжу и Хуэйин Чен, студенты нашей лаборатории и лаборатории Джеффа Джейкота. Начните с соединения 166,23 мг реакционноспособного мезогена, 40 мг силоксана и 12,8 мг сшивающего агента с 0,6 мл безводного толуола в небольшом флаконе, заряженном мешалкой.

Перемешивайте раствор при температуре 35 градусов Цельсия в течение 25 минут, чтобы реагенты полностью растворились. В отдельном флаконе приготовьте однопроцентный весовой процент раствора платинового катализатора в дихлорметане. Затем добавьте 30 микролитров раствора катализатора в ранее приготовленный раствор и перемешайте смесь с помощью мешалки.

Затем перелейте раствор в изготовленную на заказ прямоугольную форму из политетрафторэтилена. Неплотно накройте форму предметным стеклом и поставьте в духовку при температуре 60 градусов Цельсия на 30 минут. Периодически встряхивайте форму, чтобы удалить пузыри в течение первых 15 минут.

Выньте форму из духовки и быстро охладите ее жидким азотом, налив жидкий азот в небольшую емкость и соприкоснувшись с дном формы из ПТФЭ с жидким азотом в течение 2 секунд. Как только смесь остынет, опустите лист из ПТФЭ и с помощью металлического шпателя осторожно извлеките эластомер из формы и положите его поверх листа. Далее с помощью лезвия бритвы обрежьте края жидкокристаллического эластомера и разрежьте его по длине на три одинаковые по размеру части.

Повесьте каждую деталь на горизонтальный стержень и удерживайте эластомер на месте с помощью скотча. Добавляйте по одной скрепке к концу эластомеров с шагом в 10 минут. Дайте им повиснуть в течение семи дней при комнатной температуре и обратите внимание на любые изменения длины или однородности.

Выбросьте любой образец, который рвется или ломается. Чтобы получить электрически чувствительный нанокомпозит на основе жидкокристаллического эластомера, добавьте 4,38 миллиграмма наночастиц технического углерода в реакционный раствор, содержащий реакционноспособный мезоген, сшивающий агент и силоксан. На этапе подвешивания изготовления используйте в общей сложности пять скрепок вместо 10 для загрузки образца.

Добавьте дополнительные наночастицы технического углерода на поверхность жидкокристаллического эластомера. Приготовьте раствор наночастиц технического углерода в толуоле весом 1% веса на объем. Ультразвуком обрабатывайте раствор в течение 20 минут, чтобы диспергировать углеродные наночастицы, а затем вылейте дисперсию в чашку Петри.

Затем погрузите жидкие кристаллические эластомеры в дисперсию наночастиц на шесть часов. После извлечения из раствора с помощью пипетки удалите излишки раствора из чашки Петри и дайте эластомеру высохнуть на воздухе. Аккуратно очистите лишние частицы углерода на поверхности с помощью скотча или ватного тампона.

Для приготовления обратимых жидких кристаллических эластомеров на основе эпоксидной смолы смешайте 246,15 мг четырех первичных диглицидилдилоксибифенилов, 101 мг себациновой кислоты, 71,6 мг гексадеканедоевой кислоты и 76 мг карбоксидецильного концевого PDMS в прямоугольной форме из ПТФЭ. Нагрейте образцы, поместив их на горячую плиту при температуре 180 градусов Цельсия. Затем добавьте 11,48 миллиграмма катализатора и используйте металлический пинцет, предварительно нагретый до 180 градусов Цельсия, чтобы перемешать смесь.

Продолжайте периодически помешивать смесь, чтобы удалить пузырьки, образовавшиеся в результате реакции. Продолжайте реагировать со смесью в течение примерно 20 минут. После загустевания снимите лодочку из ПТФЭ с нагревательной плиты и дайте смеси остыть до комнатной температуры.

Затем с помощью лезвия бритвы отделите эластомер от формы из ПТФЭ. Далее поместите два листа ПТФЭ в полимерный пресс при температуре 180 градусов Цельсия. Поместите эластомер между листами ПТФЭ и сожмите образец до толщины от 0,3 до 0,5 миллиметра.

Продолжайте нагревать эластомер при температуре 180 градусов Цельсия в течение четырех часов. Через четыре часа достаньте образец и охладите его до комнатной температуры. Затем разрежьте образец на прямоугольные кусочки, 2,5 сантиметра в длину и 0,5 сантиметра в ширину.

Подвесьте образец с помощью полиимидной ленты внутри нагревательной печи. Прикрепите к свободному концу образца 12 скрепк общим весом 8,88 грамма. Затем установите температуру духовки на 165 градусов Цельсия и нагревайте образцы в течение ночи.

Достаньте эластомер из духовки и обратите внимание на изменение длины. Затем нагрейте образец до 80 градусов Цельсия на конфорке, чтобы снять остаточное напряжение, затем охладите до комнатной температуры. Измерьте обратимую деформацию, поместив образцы на горячую пластину и нагрев пластину до 120 градусов Цельсия.

Представьте образец при комнатной температуре после нагрева до 120 градусов Цельсия и после охлаждения до комнатной температуры. Используйте изображения для измерения длины образца на каждом этапе. Для термомеханических измерений с помощью лезвия бритвы вручную вырезают образцы до размеров два сантиметра на 0,3 сантиметра и аккуратно закрепляют их, по одному, между натяжными зажимами.

Приложите к образцу усилие в один миллиньютон, чтобы сначала устранить любую слабину. Затем термически уравновешиваются образцы при температуре 30 градусов Цельсия, после чего следуют циклы нагрева и охлаждения. Нагрейте образец до пяти градусов Цельсия в минуту от 30 градусов Цельсия до 120 градусов Цельсия.

Запишите изменения длины и ширины образца во время изменения температуры. Обработайте одну поверхность нанокомпозитов на основе жидкокристаллических эластомеров кислородной плазмой в течение 30 секунд. Затем отлите 300 микролитров раствора полистирола в толуоле со скоростью 3300 об/мин в течение одной минуты на поверхность, очищенную плазмой.

Высушите эластомер под вакуумом в течение 12 часов, чтобы удалить толуол. А затем обработать покрытую полистиролом поверхность нанокомпозита LCE с помощью кислородной плазмы в течение 30 секунд. Стерилизуйте обработанные плазмой нанокомпозиты эластомеров в 70%-ном этаноле в течение 30 минут.

А затем промыть их фосфатным буферным раствором. Переложите промытые эластомерные нанокомпозиты в сухую чашку Петри стороной с полистирольным покрытием вверх. Затем добавьте пять миллилитров раствора коллагена первого типа в чашку и покройте всю поверхность образцов, погрузив их в раствор коллагена.

Затем накройте образцы крышкой и инкубируйте их при температуре 37 градусов Цельсия и 5% углекислого газа в течение не менее 30 минут. Пластиной изолированы желудочковые кардиомиоциты новорожденных крыс поверх субстратов с плотностью от 100 000 до 600 000 клеток на квадратный сантиметр. Культивируйте клетки, как описано в сопроводительном текстовом протоколе.

После того, как ячейки прочно прикрепятся, перенесите затравленные нанокомпозиты жидкокристаллического эластомера в специальный сосуд, напечатанный на 3D-принтере. Затем вставьте прямоугольный пластиковый кусок через выемки в 3D-сосуд, чтобы удерживать жидкокристаллический эластомер на месте с одного или обоих концов. Поместите образец поперек угольных стержней и закрепите его на одном конце, чтобы обеспечить хороший электрический контакт.

Убедитесь, что сосуд заполнен средой для поддержания клеточных культур и оснащен параллельными проводящими угольными стержнями, подключенными к источнику электричества. Электрически стимулируйте жидкокристаллические эластомеры с электрическим потенциалом 40 вольт переменного тока, который имеет пятисекундное время выключения в общей сложности 24 часа. Жидкокристаллические эластомеры сжимаются и удлиняются обратимо при нагревании от комнатной температуры до температуры выше нематической и изотропной температуры, примерно 80 градусов Цельсия.

Динамический механический анализ позволяет количественно измерить изменение формы жидкокристаллического эластомера в зависимости от температуры. Образец, описанный на приведенном здесь графике, нагревали и охлаждали в течение четырех циклов. После нагрева образцы демонстрируют примерно 35% укорачивание в направлении подвешивания во время изготовления.

Образец также расширяется на 25–30% в перпендикулярном направлении. Нанокомпозиты на основе жидкокристаллических эластомеров сокращаются на основе приложения электрического потенциала. При воздействии 40 вольт переменного тока нанокомпозиты на основе жидкокристаллических эластомеров укорачивают примерно на 22 1/2% в направлении подвешивания во время изготовления.

Здесь образцы подвергались воздействию цикла выключения каждые 15 секунд. Таким образом, как только процедура будет освоена, она может быть завершена за два часа, и весь синтез будет завершен через неделю после подвешивания образца. При попытке выполнить эту процедуру важно, чтобы вы не забыли повесить ЖК с правильным весом.

В противном случае вы можете не выровнять образец должным образом или сломать его во время изготовления. Следуя этой процедуре, вы можете добавить другие типы добавок к LCE, такие как углеродные нанотрубки, чтобы понять, какую реакцию на стимулы она может иметь. Мы надеемся, что это исследование проложит путь биологам и биоинженерам к формированию чувствительных субстратов для изучения влияния стресса и напряжения на рост клеток, выравнивание клеток и поведение клеток.

Таким образом, после просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как делать выровненные, реагирующие на форму жидкокристаллические эластомеры и нанокомпозиты на основе жидкокристаллических эластомеров.