单域液晶的弹性体和液晶橡胶纳米复合材料的制备

Abstract

LCES是形状响应材料具有完全可逆的形状变化和在医学应用潜力，组织工程，人工肌肉，并作为软机器人。这里，我们证明形状响应液晶弹性体（LCES）和LCE纳米复合材料的制备其形状的响应的表征，机械性能，和显微组织沿。两种类型LCES的 - 聚硅氧烷 - 基和环氧基 - 合成，对齐，和特征。基于聚硅氧烷的LCES通过两个交联步骤中，所施加的负载下的第二次制备，产生单畴LCES。聚硅氧烷LCE纳米复合材料是通过加入导电性炭黑纳米粒子的制备，无论是在整个批量的LCE的并向LCE表面。基于环氧LCES通过可逆酯化反应制备。基于环氧LCES通过一个单轴负载在升高（160℃）t时应用对准emperatures。对准LCES和LCE纳米复合材料使用的成像，二维X射线衍射测量，差示扫描量热法，和动态力学分析的组合，其特征相对于可逆应变，机械刚度，以及液晶排序。 LCES和LCE纳米复合材料可以用热和/或电势被刺激可控产生在细胞培养基的菌株，我们证明LCES的应用作为使用定做装置用于细胞培养的形状响应衬底。

Introduction

可以表现出快速的，可逆的，可编程的形状改变的材料是可取的一些新兴的应用^1-9。形状响应支架可以帮助伤口愈合，治疗^7。人工机器人可以在勘探或在有害或不安全的人类¹⁰环境中执行任务的帮助。形状响应弹性体是所希望的用于在活性细胞培养物，其中细胞在活性环境中培养的用^11-14其它应用包括包装，传感，和药物递送。

液晶弹性体（LCE）与液晶订货^15-20的聚合物网络。 LCES通过柔性聚合物网络与被称为介晶液晶分子相结合进行。 LCES的响应是从液晶秩序的偶合而得到影响介晶的排序的聚合物网络中的菌株，并刺激将基因率网的菌株，反之亦然。为了实现在没有外部负载的大的和可逆的形状变化，介晶必须在LCE单个方向对准。在LCES工作的一个常见实用的挑战是产生单畴LCES。另一个挑战是产生形状的变化响应于刺激其他比直接加热。这可以通过增加纳米颗粒或染料来LCE网络^21-28来完成。

这里，我们证明单畴LCES和LCE纳米复合材料的制备。首先，我们证明了使用两步法首先由枯否等报道单畴LCES 的制备^。29，这仍然是一种制备单畴LCES，但实现取向均匀性和一致性的样品之间是具有挑战性的最流行 ​​的和公知的方法。我们证明可以使用标准的实验室设备很容易实现的方法，包括抽样的全部细节处理和准备。下一步，我们表明导电炭黑纳米颗粒如何可以被添加到LCES以产生导电性，电响应LCES。然后我们证明环氧基LCES的合成和对准。这些材料表现出可交换网络键，并且可以通过加热到高温，并施加均匀的载荷对齐。所有LCES通过宏观样品成像，X射线衍射测量和动态力学分析表征。最后，我们证明LCES为活跃细胞培养形状响应衬底中的一个潜在的应用。

Protocol

1.不结盟聚硅氧烷LCES的合成

1. 结合166.23毫克反应性液晶元（4-甲氧基苯基4-（3-丁烯氧基）苯甲酸酯），40毫克聚（hydromethylsiloxane），以及12.8毫克交联剂（1,4-二（10- ^{undecenyloxybenzene）30} 0.6无水毫升甲苯在一个小管形瓶（约13毫米直径和长度100毫米）装入带有搅拌棒，搅拌在35℃下该溶液25分钟使其溶解。
2. 在一个单独的小瓶中，制备1重量％二氯（1,5-环辛二烯）的二氯甲烷 - 铂（Ⅱ）催化剂的溶液。通过吸管从步骤1.1加入30微升的催化剂溶液试剂，搅拌均匀，并且将溶液倒入一个特制的3厘米（×2cm的×1厘米）矩形聚四氟乙烯（PTFE）的模具。覆盖在60℃下的在加热炉载玻片和地点松散模具30分钟，同时振摇周期性的前15分钟内，以除去气泡。
3. 从加热炉兼首席运营官删除模具l当通过浇注液态氮成一个小容器和2秒接触与液体氮的聚四氟乙烯模具底部液氮中。
   1. 一旦混合物冷却，小心地从模具使用金属铲去除弹性体和放置在PTFE板的顶部。修剪使用刀片的LCE的边缘和切割沿其长度LCE分成三个相等大小的块（约2.7厘米长和0.5厘米宽）。
4. 由一端挂每一块到水平杆和附加10纸夹4.4克至LCE的另一端。使用磁带举行的地方LCE，并增加在10分钟为增量时间纸夹之一。挂LCE在室温下7天，并指出在长度和均匀性的变化。丢弃撕裂或断裂的样品。除去样品并在室温储存。

2.电响应聚硅氧烷LCE纳米复合材料的制备

1. 为了通过分散的炭黑制备纳米复合材料LCE散装样品，首先重复步骤1.1 - 1.4以上。添加4.38毫克炭黑纳米粒子含有反应性液晶元，交联剂和硅氧烷反应溶液中。总共使用5回形针，而不是10装载的。
2. 为了增加额外的碳黑粒子的LCE表面，制备1％重量/在甲苯炭黑纳米粒子v溶液。超声处理20分钟以分散纳米颗粒，然后倒入分散到皮氏培养皿。从步骤2.1 6小时的纳米颗粒分散体的沉浸LCES。
3. 6小时后，用移液管撤回从培养皿的溶液，并允许弹性体在空气中干燥。使用磁带或棉签轻轻擦拭表面超额碳粒子。

3.环氧基可逆LCES的制备

1. 混合246.15毫克4,4'-二缩水甘油基^31，101毫克癸二酸，71.6毫克十六烷二酸，以及76毫克羧癸基封端的聚二的甲基硅氧烷在一个特制的3厘米（×2cm的×1厘米）的矩形模具PTFE。通过放置在180℃的加热板上加热样品。
   1. 添加11.48毫克（1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯）催化剂，并使用金属镊子预先被加热到180℃搅拌。继续反应，直到混合物形成凝胶，在大约20分钟，并定期搅拌以除去由反应产生的气泡。
2. 从加热板取下PTFE舟，并允许冷却到室温。用剃刀刀片的弹性体从聚四氟乙烯模具分离。
3. 放置两种PTFE片材在180℃的聚合物按。从步骤3.2的PTFE片材之间放置弹性体和样品压缩至厚度为0.3 - 0.5毫米。继续在180℃加热4小时。
4. 取出样品，并冷却至室温。切取试样成矩形件（大约2.5厘米长0.5厘米宽）。用加热烘箱内聚酰亚胺胶带一端悬挂样品。附加12 PAperclips（8.88克）到样品的自由端。加热炉的温度设定为165℃CO / N或12 - 16小时。
5. 除去从加热炉中的高弹体，并注意在长度变化。热在电炉上的样品至80℃，以除去残余应力，然后冷却回室温。

4.测试与表征LCES的

1. 通过在电炉上于120℃，摄像用照相机加热样品测量可逆菌株。注意冷却回到室温后在RT初始样品长度，加热至120℃后的样品长度，且长度。 LCES应约30％收缩并返回到它们的初始长度上冷却。 参见图1A和1B所示的例子的图像。
2. 通过在加热/共切削从各LCE和扫描一小块0℃至150℃分析用差示扫描量热（DSC）相变温度和玻璃化转变奥林·10℃/ min的速度^32,33。
3. 量化液晶取向的通过X射线衍射测定的程度。将样品与2D成像能力的X射线衍射装置³³参见图 2中所示示例的衍射图像。
   注意：衍射图像应当是各向异性的，这反映了LCE ³³的对准。聚硅氧烷LCES是向列型和环氧基LCES表现出近晶相。
4. 测量LCE和长度变化的刚度，并使用动态力学分析（DMA）的宽度。记录长度和刚度的变化与温度的LCES和作为电势为LCE纳米复合材料的功能的功能。
   1. 对于热机械测量，用剃刀刀片手动剪切样品为2厘米×0.3厘米尺寸和张力夹具之间小心紧固英寸应用的1万力，以消除任何松弛。
      1. 热平衡，在30℃弗洛样品通过加热和冷却循环以5℃/分钟结婚。从30℃热样品到120℃。温度的变化产生在样品，其中在DMA测量期间被记录的长度和宽度的变化。见一个LCE样品的热测量图3A。
   2. 机电测量，手动剪切LCE纳米复合材料样品以2厘米×0.3厘米的尺寸，并在使用银环氧树脂的LCE纳米复合材料的相对端粘上的铜线。使用固定张力LCE纳米复合材料与锰1夹紧张。
      1. 通过铜线在一个电压范围内施加的电势从0 - 60伏，60赫兹的频率，和一个开/关的脉冲持续时间从0.1秒 - 30秒。
      2. 记录形状的变化响应于的电势。应用的1万固定力去除松弛。在夹具的位置变化对应于塑造样品中的变化。见Figu重新3B为LCE纳米复合材料样品的机电测量。

通过LCE纳米复合材料的电刺激5.激活细胞培养

1. 治疗LCE纳米复合材料的一个表面之下的氧气等离子体30秒。自旋的甲苯浇铸聚苯乙烯的溶液300微升（1％重量/体积）3300的转速在等离子体清洁的表面的顶部1分钟。干燥在真空下，弹性体12小时，以除去甲苯，和治疗使用氧等离子体进行30秒的LCE纳米复合材料的聚苯乙烯包覆的表面。
2. 放置在70％的乙醇溶液LCE纳米复合材料30分钟以消毒的表面上。
   1. 洗用磷酸盐缓冲盐水的LCE纳米复合材料和LCE转移到干燥的培养皿与聚苯乙烯包覆侧朝上。通过在5毫升​​大鼠尾I型胶原溶液（50μg/ ml的在0.02N的乙酸）的浸渍涂层的LCE的整个表面。孵育LCEñanocomposite在37℃和_5％CO 2的至少30分钟。
3. 隔离乳鼠心肌细胞，并在高血清电镀媒体暂停如先前报道^11。
   1. 600000细胞/ cm ^{2 -} 100,000的密度描述如上关于LCE基板的顶板细胞。约24小时后，将细胞转移到低血清维持培养基（DMEM，18.5％的M199，5％HS，1％FBS和抗生素）。允许心肌附加和增殖的LCE的表面上4天。
4. 使用的3-D打印机和使用使用制造商的方案在图4所示的容器的概略制造定制容器设计。
   注意：3D印刷容器是具有为60毫米×40mm的×20毫米和50毫米×30毫米×15 mm内尺寸的外尺寸的矩形容器。在两个侧面，有用于插入导电性碳棒两组为5毫米的孔。缺口周围的孔和到容器的顶部边缘ES允许用于放置一矩形塑料片横跨容器（52.5毫米×12毫米×4mm的尺寸）在两端保持在适当位置的LCE。孔之间的距离是在容器的一侧3毫米，和凹口位于孔的周围，如图4，这被设计成与上述的LCE衬底的尺寸相兼容。如图中材料补充导电性碳杆通过商业供应商获得。
   1. 通过跨血管插入孔炭棒和使用医用有机硅胶粘剂的地方举行。固化粘合剂O / N。
5. 转印LCE纳米复合材料与心​​肌填充有细胞培养维持培养基并用连接到电​​源并联导电性碳棒定制3D印刷容器中。放置LCE整个炭棒和固定在一端，以确保电接触。
   1. 插入通过在三维容器中的凹口的​​矩形塑料片的一个或两个端部保持在适当位置的LCE，但松散放置此在LCE样品。通过40伏交流电的电势的一个5秒的应用开/关时间电刺激LCE为总共24小时。
6. 染色使用钙黄绿素AM如先前¹¹描述的活细胞膜。
7. 对于细胞核染色，覆盖含DAPI成像之前安装介质中的倒置荧光显微镜下的细胞。使用ImageJ的计数活细胞的数量和使用最佳拟合函数确定细胞对准的角度。

6.主动细胞培养与使用LCES直接加热

1. 重复步骤5.1 - 5.3以上使用纯LCE没有炭黑粒子添加。这个过程也详细在现有出版物^11中所述 。
2. 转移与心肌细胞LCE到Petri网ð细胞培养维持培养基和0.5“×2”卡普顿电阻加热器杂交。供应热量以通过接通电阻加热器12 W.循环加热和关闭电源以5秒的间隔的热量的至少24小时的LCE。

Representative Results

单畴LCES的形状响应由于与液晶有序网络结构的耦合。加热LCES导致在液晶有序参数的降低，产生沿主取向方向上的聚合物网络的缩写。这很容易通过放置一个LCE在电炉上可视化， 如图1A和1B。在从室温，沿着样品的长度LCE合同，上述各向同性转变温度收缩加热是一个最大值。样本也将成为上述各向同性转变温度光学透明的，而有些朦胧为低于各向同性温度甚至完全对齐LCES观察。 LCE纳米复合材料也将表现出响应于加热形状的变化， 如图1C和1D。 LCE纳米复合材料可以在热板上进行加热或者（未示出）或通过施加在样品的电势。当电压被接通样品将收缩。如果观察到很少或根本没有形状改变，这很可能是应重复液晶导演和LCE的合成对准不良的反映。作为检查，纯LCE样本的双折射可以使用偏光显微镜进行测试。当在相交叉polararizers 45度角，当沿着或垂直于无论是分析仪或偏光导向应该出现暗对准样品应表现出最大的双折射。

可以通过X射线衍射³³获得关于液晶排序的直接信息。 如图 2中所示，对准LCE具有各向异性液晶衍射峰因介晶的取向。在宽角峰是由于沿该分子的宽度间的间距。在EPO的情况下XY-LCES用层列顺序，附加峰在低角度反射的近晶相层间距观察到。在所有样品中，衍射高于各向同性温度在液晶相的各向异性和无序。 如图 2中所示，硅氧烷LCE将表现出向列型的XRD峰沿排列方向，而环氧LCES是主链LCES并呈现垂直于沿着对应于排列方向的排列方向和低角度峰的广角X射线衍射峰近晶层间距。

差示扫描量热（DSC）提供了在LCES ³²的相变。基于硅氧烷LCES的玻璃化转变_温度 （Tg）低于室温，并提供了DSC的分辨率下，但是明确的峰是观察到近90℃对应于向列到各向同性转变。类似的峰值在LCEñ观察anocomposites。中提出的基于环氧树脂的LCES的情况下，近20℃的玻璃化转变温度是观察和接近60℃近晶到各向同性转变温度。需要注意的是玻璃和各向同性转变温度可通过改变弹性体的组合物和连接基团进行修改，这是很重要的。

动态力学分析提供LCE形状变化作为温度的函数的定量测量，并且在LCE纳米复合材料的情况下，作为所施加的电压（图3）的功能。随着温度的升高，上升到过渡到各向同性相的样品的合同。以脉冲电电压的情况下，LCE纳米复合材料表现出相同的电势循环应变。

使用定制，三维印刷容器中进行活性细胞培养实验（图4）。通孔允许导电炭棒的位置，以及该容器填充有细胞培养基。上的LCE纳米复合材料表面的细胞附着的一个例子是后培养3天的图 5所示的非刺激的样品。心肌细胞表现出良好的附着和可行性。

LCES和LCE纳米复合材料的图1式样响应。LCES合同时加热从RT（A）上述向列到各向同性转变温度可逆地伸长，约80℃（B）。上的电势（C和D）的应用LCE纳米复合材料的合同。施加的电压是40伏交流电的信号。 请点击此处查看LARG呃版本这个数字。

图2的2-D的X射线从对齐LCES衍射。对齐LCES表现出各向异性的衍射图案由于液晶取向。排列方向是在垂直方向上通过以帧的白色箭头（B和D）所示。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3.动态力学分析LCES形状响应性（DMA）。（A）4加热和冷却循环硅氧烷LCE的热测量。最大收缩是沿着样品长度的35％。 （B）在LCE纳米测量与40 V AC电势机电应变开启和关闭，每15秒。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4.示意图活跃的细胞培养容器定制的，通过孔允许导电炭棒，这是固定和密封在使用有机硅，生物高档不干胶边缘插入。这两个板块是用来固定在一端或两端的LCE。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5.上LCE纳米复合材料表面的心肌细胞荧光分析。细胞用钙黄绿素AM和活细胞呈现绿色。 请点击此处查看该图的放大版本。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
4-methoxyphenyl 4-(3-butenyloxy)benzoate	TCI America	M2106	Reactive mesogen
poly(methylhydrosiloxane)	Gelest	HMS-993	Reactive polysiloxane
1,4-di(10-undecenyloxybenzene)	N/A	N/A	see: Ali, S. A., Al-Muallem, H. A., Rahman, S. U. & Saeed, M. T. Bis-isoxazolidines: A new class of corrosion inhibitors of mild steel in acidic media. Corrosion Science. 50 (11), 3070–3077, doi:10.1016/j.corsci.2008.08.011 (2008)
(dichloro(1,5-cyclooctadiene)-platinum(II)	Sigma Aldrich	244937	Pt catalyst
PTFE mold	N/A	N/A	fabricated at Rice machine shop
carbon black nanoparticles	Cabot	VULCAN® XC72R	used in the synthesis of LCE nanocomposites
polystyrene	Sigma Aldrich	331651	linear polystyrene
4,4'-diglycidyloxybiphenyl	N/A	N/A	see:  Giamberjni, M., Amendola, E. & Carfagna, C. Liquid Crystalline Epoxy Thermosets. Molecular Crystals and Liquid Crystals Science and Technology. Section A. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 266 (1), 9–22, doi:10.1080/10587259508033628 (1995).
sebacic acid	Sigma Aldrich	283258	C8 linking group for epoxy-LCE synthesis
hexadecanedioic acid	Sigma Aldrich	177504	C16 linking group for epoxy-LCE synthesis
carboxydecyl-terminated polydimethylsiloxane	Gelest	DMS-B12	Siloxane linking group for epoxy-LCE synthesis
1,5,7-triazabicyclo[4.4.0] dec-5-ene	Sigma Aldrich	345571	catalyst for reversible LCEs
carbon rods	Ladd Research	30250	used in cell culture experiments
medical grade silicone adhesive	Silbione	MED ADH 4100 RTV	used to adhere carbon rods to vessel