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Bioengineering

モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製

doi: 10.3791/53688 Published: February 6, 2016

Abstract

種の保存法は、完全に可逆的な形状変化と医療における潜在的な用途、組織工学、人工筋肉、とのような柔らかいロボットと形状応答性材料です。ここでは、その形状、応答性の特性、機械的特性、および微細構造とともに形状応答液晶エラストマー(種の保存法)とLCEナノコンポジットの製造を実証します。種の保存法の二つのタイプ - ポリシロキサン系、エポキシ系 - は、合成された整列、及び特徴づけられます。ポリシロキサン系種の保存法は、モノドメイン種の保存法で、その結果、2架橋段階、荷重負荷時二経て製造されています。ポリシロキサンLCEナノ複合材料は、LCEのバルク全体とLCE表面に両方、導電性カーボンブラックのナノ粒子を添加することにより調製されます。エポキシ系種の保存法可逆エステル化反応を介して調製されます。エポキシ系種の保存法は、高い(160℃)tにおける一軸負荷のアプリケーションを介して配列されていますemperatures。整列種の保存法及びLCEナノ複合材料は、画像、二次元X線回折測定、示差走査熱量測定、及び動的機械分析の組み合わせを用いて可逆歪み、機械的剛性、及び液晶順序に関して特徴付けられます。種の保存法及びLCEナノ複合材料は、制御可能な細胞培養培地中で株を生成するために、熱および/または電気的な電位を刺激することができ、我々は、特注の装置を用いた細胞培養用形状応答基質として種の保存法の適用を示します。

Introduction

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高速可逆、プログラマブル形状変化を示すことができる材料は、新しいアプリケーション1-9の数に望ましいです。シェイプ応答性ステントは、創傷治癒および治療​​7を支援することができます。人工ロボット探査で又はヒト10に有害または安全ではない環境でタスクを実行するのを助けることができます。形状応答性エラストマーは、細胞が活性な環境下で培養される、アクティブな細胞培養での使用のために望ましいものである。11-14他の用途は、包装、感知、および薬物送達を含みます。

液晶エラストマー(LCE)15-20を注文液晶とポリマーネットワークです。種の保存法は、メソゲンとして知られる液晶分子を有する柔軟なポリマーネットワークを組み合わせることによって作製されます。種の保存法の応答性がメソゲンの順序に影響を与える高分子ネットワーク内の株、および刺激に液晶秩序のカップリングに由来します遺伝子レートネットワーク株、およびその逆。外部負荷の非存在下での大規模かつ可逆的な形状変化を達成するために、メソゲンは、LCEで単一方向に整列されなければなりません。種の保存法での作業で共通の実践的な課題は、モノドメイン種の保存法を生成しています。別の課題は、直接加熱以外の刺激に応答して形状変化が生成されます。これはLCEネットワーク21-28にナノ粒子や染料を添加することによって行うことができます。

ここでは、モノドメイン種の保存法とLCEナノ複合材料の製造を実証します。まず、第一クッパーによって報告された2段階法を用いてモノドメイン種の保存法の製造を実証する。29。これはまだモノドメイン種の保存法を製造するための最も人気のある、よく知られた方法であるが、サンプル間の均一な配向性と一貫性を達成することは困難な場合があります。我々は、サンプリングの詳細を含む容易に標準的な実験装置を用いて実施することができる方法を実証します取り扱いと準備。次に、ブラックナノ粒子は、導電性、電気応答種の保存法を生成する種の保存法に添加する方法、導電性カーボンを示します。私たちは、その後、エポキシ系種の保存法の合成と配置を示しています。これらの材料は、交換ネットワークの結合を示し、高温に加熱し、均一な荷重を印加することによって整列させることができます。すべて種の保存法は、巨視的サンプルのイメージング、X線回折測定、及び動的機械分析により特徴付けられます。最後に、我々は、アクティブな細胞培養のための形状応答性基質として種の保存法の1の潜在的なアプリケーションを示しています。

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Protocol

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配向ポリシロキサン種の保存法の1の合成

  1. 無水0.6 mlの反応性メソゲン(4-メトキシフェニル、4-(3-ブテニルオキシ)安息香酸)の166.23 mgのポリ(hydromethylsiloxane)40mgの、及び架橋剤の12.8 mgの(1,4-ジ(10- undecenyloxybenzene)30を結合小さなバイアル中でトルエン(直径約13 mm、長さ100mm)、撹拌バーを装入は溶解し25分間、35℃で溶液を撹拌しました。
  2. 別のバイアルにおいて、1重量%のジクロロ(1,5-シクロオクタジエン) - プラチナ(II)ジクロロメタン中の触媒の溶液を調製します。 、ピペットを介してステップ1.1からの試薬に触媒溶液の30μlを添加し混合するために攪拌し、カスタムメイド(3センチメートルX 2センチメートル×1 cm)の長方形のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、金型への溶液を注ぎます。最初の15分の間に気泡を除去するために定期的に振とうしながら30分間60℃で加熱炉内のガラススライドと場所で緩く型をカバーしています。
  3. 加熱炉とクーから金型を削除します小さな容器に液体窒素を注入し、2秒間液体窒素でのPTFE型の底を接触させることにより、液体窒素でリットル。
    1. 混合物を冷却した後、慎重に金属へらを使用して、金型からエラストマーを削除し、PTFEシートの上に置きます。カミソリの刃を使用してLCEの縁をトリミングして、3つの等しいサイズのピース(約2.7センチ長さ0.5センチ幅)に、その長さに沿ってLCEを切りました。
  4. 水平ロッドに一端によりそれぞれの作品をハングアップし、LCEのもう一方の端に10ペーパークリップ(4.4グラム)を添付。テープを使用して所定の位置にLCEを保持し、10分刻みで時間にペーパークリップ1を追加します。長さと均一性の変化を指摘し、室温で7日間LCEを掛けます。涙や休憩任意のサンプルを捨てます。サンプルを削除し、周囲温度で保存してください。

電気応答ポリシロキサンLCEのナノコンポジットの調製

  1. 介して分散されたカーボンブラックをLCEナノ複合材料を調製するために上記1.4 - サンプルの大部分は、最初の繰り返しは1.1繰り返します。反応性メソゲン、架橋剤、及びシロキサンを含む反応溶液に4.38 mgのカーボンブラックナノ粒子を追加します。 5ペーパークリップの代わりにロードするための10の合計を使用してください。
  2. LCE表面に追加のカーボンブラックナノ粒子を追加するために、トルエン中のカーボンブラックのナノ粒子のw / v溶液1%を準備。 20分間の超音波処理は、ナノ粒子を分散した後、ペトリ皿に分散液を注ぎます。 6時間のナノ粒子分散液中のステップ2.1から種の保存法を浸し。
  3. 6時間後、ペトリ皿からの溶液を撤回するピペットを使用し、エラストマーは、空気中で乾燥させます。そっとテープや綿棒を使用して、表面上の過剰な炭素粒子を清掃してください。

リバーシブルエポキシ系種の保存法の調製

  1. 4,4'- diglycidyloxybiphenyl 31、101 mgのセバシン酸、ヘキサデカン酸の71.6 mg及びカルボキシデシル-終了polydiの76ミリグラムの246.15 mgのミックスカスタムメイド(3センチメートルX 2センチメートル×1 cm)の長方形のPTFE金型でメチルシロキサン。 180℃のホットプレート上に置くことによって、試料を加熱します。
    1. (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0]デカ-5-エン)の11.48 mgの触媒を添加し、180℃に予熱された金属製ピンセットを用いて攪拌します。混合物は、後に約20分、ゲルを形成するまで反応を続行し、反応によって生成された気泡を除去するために定期的に攪拌します。
  2. ホットプレートからPTFEボートを取り外し、室温まで冷却します。 PTFE型からエラストマーを分離するためにカミソリの刃を使用してください。
  3. 180℃でポリマープレスで2 PTFEシートを配置します。 PTFEシートの間にステップ3.2からエラストマーを配置し、0.3の厚さにサンプルを圧縮 - 0.5ミリメートル。 4時間180℃で加熱を続けます。
  4. サンプルを削除し、RTに冷却します。長方形片(約2.5センチ長さ0.5センチ幅)に試料をカットします。加熱炉の内部にポリイミドテープを使用して、一方の端部でサンプルを掛けます。 12 PAを添付試料の自由端にperclips(8.88 g)を得ました。 165℃CO / Nに加熱炉の温度を設定するか、12 - 16時間。
  5. 加熱炉からエラストマーを削除し、長さの変化に注意してください。 RTに戻し冷却し、次いで、残留応力を除去するために、ホットプレート上で80℃にサンプルを加熱します。

4.種の保存法のテストおよび特性評価

  1. カメラで120°Cおよびイメージングにホットプレート上でサンプルを加熱することによって可逆的ひずみを測定します。 RTに戻って冷却した後、室温での初期試料長、120℃まで加熱した後のサンプルの長さ、および長さに注意してください。種の保存法は、約30%収縮させ、冷却時にその初期の長さに戻ります。 1A及び図1Bに示した例のイメージを見ます。
  2. 加熱/ CO 2で150℃、0℃から各LCE走査から小片を切断することにより、示差走査熱量測定(DSC)により相転移温度とガラス転移を分析します10℃/分32,33のoling率。
  3. X線回折測定により、液晶配向の度合いを定量化します。 2Dイメージング機能を備えたX線回折装置に配置した試料33、図2に示す例の回折イメージを見ます。
    注:回折像は、LCE 33のアライメントを反映し、異方性であるべきです。ポリシロキサン種の保存法は、ネマチックであり、エポキシ系種の保存法は、スメクティック相を示します。
  4. 動的機械分析(DMA)を使用して、長さと幅にLCEと変化の剛性を測定します。レコード長と種の保存法用とLCEナノ複合材料のための電位の関数としての温度の関数としての剛性の変化。
    1. 熱機械測定のために、手動でのx 0.3センチメートル2センチメートルの寸法にサンプルをカットし、慎重にテンションクランプの間に固定するためにカミソリの刃を使用します。たるみを除去するために、1 MNの力を適用します。
      1. 熱的に30°C folloでサンプルを平衡化5℃/分で加熱及び冷却サイクルによって結婚。 120°Cまで30°Cからの熱のサンプル。温度変化は、DMA測定中に記録されたサンプルの長さと幅の変化を生じさせます。 LCEサンプルの熱機械測定については、図3Aを参照してください
    2. 電気機械的測定のために、手動でのx 0.3 cm 2でセンチ寸法にLCEナノ複合材料サンプルを切断し、銀エポキシを用いてLCEナノ複合体の両端部の銅線を接着。緊張を使用してLCEのナノコンポジットは、1のMN張力でクランプ固定します。
      1. 60 V、60Hzの周波数、および0.1秒に至るまで、オン/オフのパルス持続時間 - - 30秒0の範囲の電圧で銅線を介して電位を適用します。
      2. 電位に応答して、レコード形状変化。たるみを除去するために、1 MNの固定力を適用します。クランプの位置の変化は、試料中の変化を形状に対応します。 Figuを参照してください。LCEのナノコンポジットサンプルの電気機械測定のための3B再。

LCEナノコンポジットの電気刺激を通じて5.アクティブな細胞培養

  1. 30秒間酸素プラズマ下LCEナノコンポジットの一面を扱います。スピンは、プラズマ洗浄された表面の上に1分間3300 rpmで(w / vの1%)をトルエンにポリスチレンの溶液を300μlをキャスト。トルエンを除去し、30秒間、酸素プラズマを用いてLCEナノコンポジットのポリスチレンで被覆された表面を処理するために12時間、真空下でエラストマーを乾燥させます。
  2. 表面を殺菌するために30分間70%エタノール溶液中でLCEナノ複合材料を配置します。
    1. リン酸緩衝生理食塩水でLCEナノコンポジットを洗浄し、ポリスチレンで被覆された側を上に向けて乾燥ペトリ皿にLCEを転送します。ラット尾I型コラーゲン溶液(0.02 N酢酸中の50μg/ mlで)5mLに浸漬して被膜LCEの全面。 LCE nをインキュベート少なくとも30分間のCO 2、37℃で、5%anocomposite。
  3. 新生仔ラット心室心筋細胞を単離し、以前に11を報告したように、高血清メッキ媒体に一時停止。
    1. 60万細胞/ cm 2 - 100,000密度で上記のように説明したLCE基板の上にプレート細胞。約24時間後、低血清維持培地(DMEM、18.5%M199、5%HS、1%FBSおよび抗生物質)に細胞を移します。心筋細胞は、4日間LCEの表面に付着して増殖することを可能にします。
  4. 3-Dプリンターを用いて、製造業者のプロトコルを使用して、図4に示されている容器の概略図を使用してカスタム容器の設計および製造。
    注:3Dは血管を印刷すると、60ミリメートル×40ミリメートル×20ミリメートルと50ミリメートル×30ミリメートル×15ミリメートルの内寸の外形寸法を有する長方形の容器です。二つの側方表面に、導電性カーボン棒を挿入するための5mmの穴の二組があります。ノッチ容器全体に長方形のプラスチック片(52.5ミリメートル×12ミリメートル×4ミリメートルの寸法)を配置すること両端の所定の位置にLCEを保持するための穴の周りと容器の上端までのESができます。穴間の距離は、容器の一方の側に3mmで、 図4に示すように、切欠穴の周りに配置されている。これは、上述LCE基板のサイズに適合するように設計されています。材料補足に示すように、導電性カーボンロッドは、市販の供給業者を介して得られます。
    1. 血管を横切って貫通孔炭素棒を挿入し、医療グレードのシリコーン接着剤を使用して所定の位置に保持します。接着剤のO / Nを治します。
  5. 細胞培養維持培地とし、電源に接続された並列導電性炭素棒を充填したカスタム3Dプリント容器への心筋細胞でLCEナノコンポジットを転送します。炭素棒を横断LCEを配置し、電気的接触を確保するために、一方の端部に固定します。
    1. 一方または両方の末端で所定の位置にLCEを保持するが、LCEサンプルの上に緩く、これを配置するために3-D容器内のノッチを通して長方形のプラスチック片を挿入します。電気的に24時間の合計/オフ時間に5秒で40 V AC電位の適用によりLCEを刺激します。
  6. 以前11記載されているようにカルセインAMを用いて、生きた細胞の膜を染色します。
  7. 核染色のために、倒立蛍光顕微鏡下で撮影する前にDAPI含有封入剤で細胞をカバーしています。生細胞の数をカウントし、最良適合関数を用いて細胞アラインメントの角度を決定するためのImageJを使用。

直接加熱を使用した種の保存法6.アクティブな細胞培養

  1. 繰り返しますが、5.1のステップ - 5.3カーボンブラックナノ粒子なしで純粋なLCEを使用して、上記を追加しました。この手順は、先行文献に詳細に記載されている。11
  2. ペトリdに心筋細胞とのLCEを転送細胞培養維持培地と0.5 "×2"カプトン抵抗ヒーターでっぽいです。少なくとも24時間、5秒間隔で熱オンとオフ12 W.サイクルの加熱力で抵抗ヒータをオンすることによりLCEへの供給熱。

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Representative Results

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モノドメイン種の保存法が原因液晶秩序とのネットワークコンフォメーションのカップリングに形状応答性です。暖房種の保存法一次配列方向に沿って、ポリマーネットワークの収縮を生産する液晶オーダーパラメータの減少をもたらします。 1Aおよび図1Bに示すように、これは簡単に、ホットプレート上LCEを置くことによって可視化されます。 RTからの加熱では、サンプルの長さに沿ってLCE契約、等方性遷移温度より収縮が最大となります。いくつかの濁りがisotropization温度以下であっても完全に整列種の保存法のために観察しながら試料はまた、等方性転移温度以上の光学的に明らかになるだろう。 図1C および 1Dに示すように、LCEナノ複合材料は、また、加熱に応答して形状の変化を示すであろう。 LCEナノ複合材料は、ホットプレート(図示せず)上に、またはいずれかによって加熱することができますサンプルを横切って電位を印加します。電圧がオンになっているときにサンプルが収縮します。ほとんどまたは全く形状の変化が観察された場合、これは、液晶ダイレクタとLCEの合成の配向不良の反射が繰り返されるべきである可能性があります。チェックとして、純粋なLCE試料の複屈折は、偏光光学顕微鏡を用いて試験することができます。交差polararizersに対して45度に配向し、アナライザまたは偏光板のいずれかに沿って、または垂直に配向するとき暗く見える必要があるときに整列サンプルは最大複屈折性を示すべきです。

液晶秩序に関する直接的な情報は、X線回折33を介して得ることができます。 図2に示すように、整列LCE起因メソゲンの配向の異方性の液晶回折ピークを示します。広い角度でのピークは、分子の幅に沿って分子間の間隔に起因します。 EPOの場合スメクティック秩序とのxy-種の保存法は、追加のピークがスメクチック層間隔を反映し、低角度で観察されます。全てのサンプルでは、​​回折は液晶相における異方性とisotropization温度以上無秩序です。 図2に示すように、シロキサンLCEは、エポキシ種の保存法は、主鎖種の保存法あるが配向方向に沿ってネマチックXRDピークを示し、に対応する配列方向に沿って配向方向と低角度ピークに対して垂直広角XRDピークを示すであろうスメクチック層間隔。

示差走査熱量測定(DSC)は、種の保存法32に相転移を与えます。シリコーンベースの種の保存法はよくRT以下、当社DSCの解像度より低いガラス転移温度(T g)を持っているが、明確なピークは、ネマチック・ツー・等方性遷移に対応する90℃付近で観測されています。同様のピークはLCE nにおいて観察されますanocomposites。提示エポキシ系種の保存法の場合には、20℃付近のガラス転移温度が観察され、60°C近くスメクチックツー等方性遷移温度。ガラスとアイソトロピック転移温度は、エラストマーの組成と連結基を変えることによって変更することができることに留意することが重要です。

動的機械分析は、印加電圧の関数( 図3)のように、LCEナノコンポジットの場合には、温度の関数としてLCE形状変化の定量的尺度を提供し、。等方相への移行まで、温度の上昇とともに試料契約。パルス状の電圧の場合には、LCEのナノコンポジットは、電位と同位相の周期的な歪みを示します。

アクティブな細胞培養実験は、カスタム、3-D印刷容器を用いて行われる( 図4)。スルーホールは、導電性カーボン棒の配置を可能にし、容器は、細胞培養培地で充填されます。 LCEナノ複合材料表面の細胞付着の例は、培養の3日後に、非刺激サンプルのために、図5に示されています。心筋細胞は、良好な添付ファイルや実行可能性を示しています。

図1
種の保存法とLCEナノコンポジットの図1.形状-応答。種の保存法契約とRT(A)からネマチック-等方相転移温度以上に加熱したとき可逆的に細長く、約80°C(B)。電位(CおよびD)の適用に関するLCEナノコンポジット契約。印加電圧は40 V AC信号である。 ラーグを表示するには、こちらをクリックしてください。この図のERバージョン。

図2
図整列種の保存法から2. 2次元X線回折。種の保存法は、液晶配向による異方性回折パターンを示す整列。フレーム内の白い矢印(BD)で示すように、配向方向が垂直方向である。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
種の保存法における形状応答性の図3.動的機械分析(DMA)。4加熱・冷却サイクルのためのシロキサンLCEの(A)熱機械測定。最大収縮は試料の長さに沿って35%です。 (B)40 V AC電位でLCEナノコンポジットで測定された電気機械株が。15秒ごとにオン・オフこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図アクティブ細胞培養のためのカスタム容器4の回路図。スルーホールは、シリコーン、バイオグレードの接着剤を使用して、縁部に固定され、封止されている導電性カーボン棒の挿入を可能にします。二つのプレートは、1つまたは両端にLCEを保護するために使用されている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5. LCEのナノ複合材料表面上の心筋細胞の蛍光分析。細胞を、カルセインAMで染色され、そして生きた細胞が緑色に表示されます。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Acknowledgments

この作品は、国立職業財団(RVへCBET-1336073)、ACS石油研究基金(RVへ52345-DN17)、アメリカ心臓協会(JGJにBGIA)、国立科学財団(キャリアによってサポートされていましたCBET-1055942へJGJ)、健康/国立心肺血液研究所(JGJに1R21HL110330)、ルイと桃オーウェンとテキサス小児病院の国立研究所。

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

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References

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モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製
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Kim, H., Zhu, B., Chen, H., Adetiba, O., Agrawal, A., Ajayan, P., Jacot, J. G., Verduzco, R. Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites. J. Vis. Exp. (108), e53688, doi:10.3791/53688 (2016).More

Kim, H., Zhu, B., Chen, H., Adetiba, O., Agrawal, A., Ajayan, P., Jacot, J. G., Verduzco, R. Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites. J. Vis. Exp. (108), e53688, doi:10.3791/53688 (2016).

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