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Bioengineering

Monodomain लिक्विड क्रिस्टल Elastomers और लिक्विड क्रिस्टल Elastomer nanocomposites की तैयारी

Published: February 6, 2016 doi: 10.3791/53688
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 1, 3, 2,4, 1,3
1Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, 2Bioengineering, Rice University, 3Materials Sciences and NanoEngineering, Rice University, 4Congenital Heart Surgery Services, Texas Children’s Hospital

Abstract

LCEs पूरी तरह से प्रतिवर्ती आकार परिवर्तन और चिकित्सा के क्षेत्र में संभावित अनुप्रयोगों, ऊतक इंजीनियरिंग, कृत्रिम मांसपेशियों, और मुलायम के रूप में रोबोट के साथ आकार-संवेदनशील सामग्री रहे हैं। यहाँ, हम उनके आकार-जवाबदेही के लक्षण वर्णन, यांत्रिक गुणों, और microstructure के साथ साथ आकार उत्तरदायी लिक्विड क्रिस्टल elastomers (LCEs) और एलसीई nanocomposites की तैयारी प्रदर्शित करता है। LCEs के दो प्रकार - polysiloxane आधारित और epoxy आधारित - संश्लेषित गठबंधन किया है, और विशेषता है। Polysiloxane आधारित LCEs monodomain LCEs में जिसके परिणामस्वरूप दो crosslinking कदम, एक आवेदन लोड के तहत दूसरे के माध्यम से तैयार कर रहे हैं। Polysiloxane एलसीई nanocomposites, प्रवाहकीय कार्बन ब्लैक नैनोकणों के अलावा के माध्यम से तैयार किया जाता है दोनों एलसीई के थोक भर में और एलसीई सतह के लिए। Epoxy आधारित LCEs एक प्रतिवर्ती esterification प्रतिक्रिया के माध्यम से तैयार कर रहे हैं। Epoxy आधारित LCEs ऊंचा (160 डिग्री सेल्सियस) टी में एक अक्षीय भार के आवेदन के माध्यम से गठबंधन कर रहे हैंemperatures। गठबंधन LCEs और एलसीई nanocomposites इमेजिंग, दो आयामी एक्स-रे विवर्तन माप, अंतर स्कैनिंग उष्मामिति, और गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के संयोजन का उपयोग प्रतिवर्ती तनाव, यांत्रिक कठोरता, और लिक्विड क्रिस्टल आदेश देने के संबंध में विशेषता है। LCEs और एलसीई nanocomposites गर्मी और / या विद्युत क्षमता के साथ प्रेरित किया जा सकता है controllably सेल संस्कृति मीडिया में उपभेदों उत्पन्न करने के लिए, और हम एक कस्टम बनाया तंत्र का उपयोग करते हुए सेल संस्कृति के लिए आकार उत्तरदायी substrates के रूप में LCEs के आवेदन प्रदर्शित करता है।

Introduction

सामग्री है कि, तेजी से प्रतिवर्ती, और प्रोग्राम आकार में परिवर्तन प्रदर्शन कर सकते हैं उभरते अनुप्रयोगों 1-9 की संख्या के लिए वांछित हैं। आकार उत्तरदायी स्टेंट घाव भरने और उपचार 7 के साथ सहायता कर सकते हैं। कृत्रिम रोबोट अन्वेषण में या वातावरण है कि हानिकारक या मनुष्यों 10 के लिए असुरक्षित हैं कार्यों में बाहर ले जाने में सहायता कर सकते हैं। आकार उत्तरदायी elastomers सक्रिय सेल संस्कृति है, जो कोशिकाओं में एक सक्रिय माहौल में सुसंस्कृत हैं में उपयोग के लिए वांछित हैं। 11-14 अन्य अनुप्रयोगों पैकेजिंग, संवेदन, और दवा वितरण शामिल हैं।

लिक्विड क्रिस्टल elastomers (एलसीई) लिक्विड क्रिस्टल के आदेश देने के साथ 15-20 बहुलक नेटवर्क रहे हैं। LCEs लिक्विड क्रिस्टल mesogens रूप में जाना जाता अणुओं के साथ एक लचीला बहुलक नेटवर्क संयोजन से बनते हैं। LCEs की जवाबदेही बहुलक नेटवर्क में तनाव, और उत्तेजनाओं कि mesogens के आदेश को प्रभावित करने के लिए लिक्विड क्रिस्टल आदेश के युग्मन से प्राप्त होता है जीन होगादर नेटवर्क में तनाव, और इसके विपरीत। आदेश में एक बाहरी लोड के अभाव में बड़े और प्रतिवर्ती आकार-परिवर्तन को प्राप्त करने के लिए, mesogens एलसीई में एक ही दिशा में गठबंधन किया जाना चाहिए। LCEs के साथ काम करने में एक आम व्यावहारिक चुनौती LCEs monodomain पैदा कर रहा है। एक और चुनौती के जवाब में आकार में परिवर्तन पैदा कर रहा है प्रत्यक्ष हीटिंग के अलावा अन्य उत्तेजनाओं को। इस एलसीई नेटवर्क 21-28 नैनोकणों या रंगों के अलावा के माध्यम से किया जा सकता है।

यहाँ, हम monodomain LCEs और एलसीई nanocomposites की तैयारी प्रदर्शित करता है। सबसे पहले, हम दो कदम विधि पहले कुप्फ़ेर एट अल द्वारा रिपोर्ट का उपयोग कर monodomain LCEs की तैयारी प्रदर्शित करता है। यह अभी भी 29 नमूनों के बीच monodomain LCEs तैयारी है, लेकिन प्राप्त करने वर्दी संरेखण और स्थिरता चुनौतीपूर्ण हो सकता है के लिए सबसे लोकप्रिय और प्रसिद्ध विधि है । हम एक दृष्टिकोण आसानी से मानक प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग कर लागू किया जा सकता है कि, नमूने पर पूर्ण विवरण सहित प्रदर्शितसे निपटने की तैयारी। अगला, हम बताएंगे कि कैसे प्रवाहकीय कार्बन ब्लैक नैनोकणों LCEs करने के लिए जोड़ा जा सकता है प्रवाहकीय, विद्युत उत्पादन करने के लिए उत्तरदायी LCEs। हम तो संश्लेषण और epoxy आधारित LCEs के संरेखण प्रदर्शित करता है। इन सामग्रियों विनिमेय नेटवर्क बांड प्रदर्शन और ऊंचा तापमान को गर्म करने और एक समान लोड लगाने से गठबंधन किया जा सकता है। सभी LCEs स्थूल नमूना इमेजिंग, एक्स-रे विवर्तन माप, और गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के माध्यम से विशेषता है। अंत में, हम सक्रिय सेल संस्कृति के लिए आकार उत्तरदायी substrates के रूप में LCEs में से एक संभावित आवेदन प्रदर्शित करता है।

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Protocol

1. निरपेक्ष Polysiloxane LCEs के संश्लेषण

  1. प्रतिक्रियाशील mesogen (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) बेंजोएट) की १६६.२३ एमजी, पाली (hydromethylsiloxane) के 40 मिलीग्राम, और crosslinker के 12.8 मिलीग्राम (1,4-डी (10 undecenyloxybenzene) 30 निर्जल गठबंधन के 0.6 मिलीलीटर के साथ एक छोटी शीशी में टोल्यूनि (व्यास में लगभग 13 मिमी और लंबाई में 100 मिमी) एक बार सरगर्मी के साथ आरोप लगाया। 25 मिनट भंग करने के लिए 35 डिग्री सेल्सियस पर समाधान हलचल।
  2. एक अलग शीशी में, 1% wt dichloro (1,5-cyclooctadiene) -platinum (द्वितीय) क्लोराइड में उत्प्रेरक का एक समाधान तैयार करते हैं। पिपेट के माध्यम से 1.1 कदम से अभिकर्मकों के लिए उत्प्रेरक के समाधान के 30 μl जोड़ें, मिश्रण करने के लिए हलचल, और एक कस्टम बनाया (3 सेमी x 2 सेमी एक्स 1 सेमी) आयताकार polytetrafluoroethylene (PTFE) मोल्ड में समाधान डालना। 30 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर एक गिलास स्लाइड और हीटिंग ओवन में जगह के साथ मोल्ड शिथिल कवर करते हुए समय समय पर मिलाते हुए पहले 15 मिनट के दौरान बुलबुले को दूर करने के लिए।
  3. हीटिंग ओवन और सीओओ से मोल्ड निकालेंएक छोटे कंटेनर में तरल नाइट्रोजन डालने के लिये और 2 सेकंड के लिए तरल नाइट्रोजन के साथ PTFE आचारण के नीचे से संपर्क करके तरल नाइट्रोजन के साथ एल।
    1. एक बार जब मिश्रण ठंडा हो गया है, ध्यान से एक धातु रंग का उपयोग मोल्ड से इलास्टोमेर को हटाने और एक PTFE शीट के शीर्ष पर जगह है। एलसीई एक रेजर ब्लेड का उपयोग कर के किनारों ट्रिम और तीन बराबर आकार के टुकड़ों (लगभग। 2.7 सेमी लंबाई और चौड़ाई 0.5 सेमी) में इसकी लंबाई के साथ एलसीई काटा।
  4. एक क्षैतिज रॉड को एक छोर से प्रत्येक टुकड़ा रुको और एलसीई के दूसरे छोर से 10 पेपर क्लिप (4.4 ग्राम) देते हैं। टेप का उपयोग जगह में एलसीई पकड़ो, और 10 मिनट की वेतन वृद्धि में एक समय में एक पेपर क्लिप जोड़ें। आरटी पर 7 दिनों के लिए एलसीई रुको, लंबाई और एकरूपता में परिवर्तन टिप्पण। किसी भी नमूने कि आँसू या टूट जाता है त्यागें। नमूने निकालें और परिवेश पर स्टोर।

2. विद्युत उत्तरदायी Polysiloxane एलसीई nanocomposites की तैयारी

  1. के माध्यम से छितरी हुई कार्बन ब्लैक के साथ एलसीई nanocomposites तैयार करने के लिए1.4 से ऊपर - नमूना के थोक, पहले दोहराने 1.1 कदम। युक्त प्रतिक्रियाशील mesogen, crosslinker, और siloxane प्रतिक्रिया समाधान के लिए 4.38 मिलीग्राम कार्बन ब्लैक नैनोकणों जोड़ें। लोड करने के लिए 10 के बजाय 5 पेपर क्लिप की कुल प्रयोग करें।
  2. एलसीई सतह के लिए अतिरिक्त कार्बन ब्लैक नैनोकणों जोड़ने के लिए, 1% w / टोल्यूनि में कार्बन ब्लैक नैनोकणों के वी समाधान तैयार है। 20 मिनट के लिए Sonicate नैनोकणों को तितर-बितर करने के लिए और फिर एक पेट्री डिश में फैलाव डालना। 6 घंटे के लिए nanoparticle फैलाव में 2.1 कदम से LCEs विसर्जित कर दिया।
  3. 6 घंटे के बाद, पेट्री डिश से समाधान वापस लेने के लिए एक पिपेट का उपयोग करें और इलास्टोमेर हवा में सूखे के लिए अनुमति देते हैं। धीरे टेप या एक कपास झाड़ू का उपयोग कर सतह पर अतिरिक्त कार्बन कणों को साफ।

3. प्रतिवर्ती epoxy आधारित LCEs की तैयारी

  1. 4,4'-diglycidyloxybiphenyl 31, 101 मिलीग्राम sebacic एसिड की २४६.१५ एमजी, hexadecanedioic एसिड की 71.6 मिलीग्राम, और carboxydecyl समाप्त polydi के 76 मिलीग्राम मिक्सएक कस्टम बनाया (3 सेमी x 2 सेमी एक्स 1 सेमी) आयताकार PTFE सांचे में methylsiloxane। 180 डिग्री सेल्सियस पर एक hotplate पर रखकर नमूने हीट।
    1. (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] Dec, 5-ene) उत्प्रेरक की 11.48 मिलीग्राम जोड़ें और धातु चिमटी 180 डिग्री सेल्सियस के लिए पूर्व गर्म का उपयोग कर हलचल। जब तक मिश्रण एक जेल रूपों, लगभग 20 मिनट के बाद प्रतिक्रिया जारी रखें, और समय समय पर हलचल प्रतिक्रिया से उत्पन्न बुलबुले को दूर करने के लिए।
  2. hotplate से PTFE नाव निकालें और आरटी को शांत करने के लिए अनुमति देते हैं। PTFE मोल्ड से इलास्टोमेर को अलग करने के लिए एक रेजर ब्लेड का प्रयोग करें।
  3. 180 डिग्री सेल्सियस पर एक बहुलक प्रेस में दो PTFE शीट रखें। PTFE शीट के बीच 3.2 कदम से इलास्टोमेर की जगह और 0.3 की मोटाई के लिए नमूना सेक - 0.5 मिमी। 4 घंटे के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर हीटिंग जारी रखें।
  4. नमूना और आरटी शांत निकालें। आयताकार टुकड़े (लगभग 2.5 सेमी लंबाई और चौड़ाई 0.5 सेमी) में नमूना कट। एक छोर पर नमूना रुको एक हीटिंग ओवन के अंदर polyimide टेप का उपयोग। 12 पीए संलग्नperclips (8.88 छ) नमूना का नि: शुल्क समाप्त करने के लिए। 16 घंटा - 165 ° सीओ / एन, या के लिए 12 से हीटिंग ओवन के तापमान सेट करें।
  5. हीटिंग ओवन से निकालें और इलास्टोमेर लंबाई में परिवर्तन पर ध्यान दें। एक hotplate पर 80 डिग्री सेल्सियस के लिए नमूना गर्मी तो अवशिष्ट तनाव को दूर करने के लिए वापस आरटी शांत करने के लिए।

4. परीक्षण और LCEs की विशेषता

  1. एक कैमरा के साथ 120 डिग्री सेल्सियस के लिए एक hotplate और इमेजिंग पर नमूने हीटिंग द्वारा प्रतिवर्ती तनाव को मापने। आरटी पर वापस ठंडा करने के बाद नोट आरटी पर प्रारंभिक नमूना लंबाई, 120 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के बाद नमूना लंबाई, और लंबाई। LCEs लगभग 30% से अनुबंध और ठंडा करने पर उनकी प्रारंभिक लंबाई करने के लिए वापस आ जाना चाहिए। चित्रा 1 ए और 1 बी में दिखाया उदाहरण के चित्र देखें।
  2. एक हीटिंग / सीओ पर 150 डिग्री सेल्सियस के लिए 0 डिग्री सेल्सियस से प्रत्येक एलसीई और स्कैनिंग से एक छोटा सा टुकड़ा काटने से चरण संक्रमण तापमान और अंतर स्कैनिंग उष्मामिति (डीएससी) द्वारा कांच संक्रमण का विश्लेषण करेंoling 10 डिग्री सेल्सियस की दर / 32,33 मिनट।
  3. एक्स-रे विवर्तन माप द्वारा लिक्विड क्रिस्टल संरेखण की डिग्री यों। 2 डी इमेजिंग क्षमताओं के साथ एक एक्स-रे diffractometer में रखें नमूने हैं। 33 चित्रा 2 में दिखाया उदाहरण विवर्तन छवियों देखें।
    नोट: विवर्तन छवि anisotropic होना चाहिए, एलसीई 33 के संरेखण को दर्शाती है। Polysiloxane LCEs Nematic और epoxy आधारित LCEs एक smectic चरण का प्रदर्शन कर रहे हैं।
  4. एलसीई और लंबाई में परिवर्तन की कठोरता को मापने और गतिशील यांत्रिक विश्लेषण (डीएमए) का उपयोग चौड़ाई। रिकॉर्ड लंबाई और LCEs के लिए और एलसीई nanocomposites के लिए विद्युत क्षमता के एक समारोह के रूप में तापमान के एक समारोह के रूप में कठोरता बदल जाता है।
    1. थर्मामीटरों यांत्रिक माप के लिए, एक रेजर ब्लेड का उपयोग मैन्युअल 2 सेमी x 0.3 सेमी के आयामों के लिए नमूने कटौती करने के लिए और ध्यान से तनाव अकड़न के बीच में जकड़ना। किसी भी सुस्त दूर करने के लिए 1 करोड़ की एक ताकत को लागू करें।
      1. Thermally 30 डिग्री सेल्सियस follo पर नमूने संतुलित करना5 डिग्री सेल्सियस / मिनट में हीटिंग और ठंडा करने के चक्र से विवाह कर लिया। 120 डिग्री सेल्सियस के लिए ऊपर 30 डिग्री सेल्सियस से हीट नमूना। तापमान में परिवर्तन की लंबाई और नमूना है, जो डीएमए माप के दौरान दर्ज की गई हैं की चौड़ाई में परिवर्तन का उत्पादन। एक एलसीई नमूने के thermomechanical मापन के लिए चित्रा 3A देखें।
    2. विद्युत माप के लिए, मैन्युअल 2 सेमी x 0.3 सेमी के आयामों को एलसीई nanocomposite नमूनों में कटौती और एलसीई nanocomposites एक रजत epoxy का उपयोग के विपरीत छोर पर एक तांबे के तार गोंद। जकड़ना एलसीई तनाव का उपयोग nanocomposite 1 mN तनाव के साथ clamps।
      1. लेकर एक वोल्टेज में तांबे के तारों के माध्यम से एक विद्युत क्षमता से लागू 0 - 30 सेकंड - 60 वी, 60 हर्ट्ज की एक आवृत्ति है, और एक बंद / नाड़ी 0.1 सेकंड से लेकर अवधि पर।
      2. विद्युत क्षमता के जवाब में रिकार्ड आकार बदलता है। सुस्त दूर करने के लिए 1 करोड़ की एक निश्चित बल लागू करें। अकड़न की स्थिति में परिवर्तन के नमूने में परिवर्तन को आकार से मेल खाती है। figu देखेंएक एलसीई nanocomposite नमूने की विद्युत मापन के लिए फिर से 3 बी।

एलसीई nanocomposites की बिजली की उत्तेजना के माध्यम से 5. सक्रिय सेल संस्कृति

  1. 30 सेकंड के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा के तहत एलसीई nanocomposites में से एक सतह समझो। स्पिन टोल्यूनि में polystyrene का एक समाधान के 300 μl डाली (1% w / v) प्लाज्मा साफ सतह के शीर्ष पर 1 मिनट के लिए 3300 rpm पर। 12 घंटे के लिए वैक्यूम के अंतर्गत इलास्टोमेर सूखी टोल्यूनि हटाने, और 30 सेकंड के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग एलसीई nanocomposite की polystyrene लेपित सतह के इलाज के लिए।
  2. 70% इथेनॉल समाधान में एलसीई nanocomposites 30 मिनट के लिए रखें सतह बाँझ।
    1. फॉस्फेट बफर खारा के साथ एलसीई nanocomposite धो और polystyrene लेपित पक्ष का सामना करना पड़ के साथ एक सूखी पेट्री डिश के लिए एलसीई हस्तांतरण। एक चूहे की पूंछ कोलेजन प्रकार मैं समाधान (0.02 एन एसिटिक एसिड में 50 ग्राम / एमएल) के 5 मिलीलीटर में डुबो कर कोट एलसीई की पूरी सतह। सेते एलसीई nकम से कम 30 मिनट के लिए 37 डिग्री सेल्सियस पर anocomposite और 5% सीओ 2।
  3. नवजात चूहे वेंट्रिकुलर cardiomyocytes अलग करने और उच्च सीरम चढ़ाना मीडिया में निलंबित रूप में पहले से 11 की सूचना दी।
    1. 600,000 कोशिकाओं / 2 सेमी - एलसीई substrates के शीर्ष पर प्लेट कोशिकाओं 100,000 के घनत्व पर के रूप में ऊपर वर्णित है। चारों ओर 24 घंटा बाद में, कम सीरम रखरखाव मीडिया (DMEM, 18.5% M199, 5% एच एस, 1% FBS और एंटीबायोटिक) कोशिकाओं हस्तांतरण। cardiomyocytes 4 दिनों के लिए देते हैं और एलसीई की सतह पर पैदा करने की अनुमति दें।
  4. डिजाइन और एक 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर और पोत 4 चित्र में दिखाया निर्माता प्रोटोकॉल का उपयोग करने का योजनाबद्ध का उपयोग कर एक कस्टम पोत बनाना।
    नोट: 3 डी मुद्रित पोत 60 मिमी x 40 मिमी x 20 मिमी और 50 मिमी x 30 मिमी x 15 मिमी के भीतरी आयामों के बाहरी आयामों के साथ एक आयताकार कंटेनर है। दो पार्श्व सतहों पर, वहाँ प्रवाहकीय कार्बन छड़ डालने के लिए इस्तेमाल किया 5 मिमी छेद के दो सेट कर रहे हैं। निशानछेद के आसपास और ऊपर कंटेनर के शीर्ष किनारे करने के लिए तों एक आयताकार प्लास्टिक के टुकड़े भर पोत (52.5 मिमी x 12 मिमी x 4 मिमी आयाम) रखने के दोनों सिरों पर जगह में एलसीई धारण करने के लिए अनुमति देते हैं। छेद के बीच की दूरी पोत के एक तरफ 3 मिमी है, और डिग्री अधिक के रूप में 4 चित्र में दिखाया छेद के आसपास स्थित हैं। यह ऊपर वर्णित एलसीई substrates के आकार के साथ संगत होना करने के लिए बनाया गया है। प्रवाहकीय कार्बन छड़ के रूप में सामग्री अनुपूरक में दिखाया गया एक व्यावसायिक सप्लायर के माध्यम से प्राप्त कर रहे हैं।
    1. बर्तन में छेद के माध्यम से कार्बन छड़ डालें और चिकित्सा ग्रेड सिलिकॉन चिपकने का उपयोग जगह में पकड़। चिपकने वाला हे / एन इलाज।
  5. एक कस्टम 3 डी-मुद्रित सेल संस्कृति रखरखाव मीडिया के साथ और समानांतर प्रवाहकीय कार्बन एक बिजली के स्रोत से जुड़ा छड़ के साथ भरा पोत को cardiomyocytes साथ स्थानांतरण एलसीई nanocomposites। कार्बन छड़ भर एलसीई की जगह और बिजली के संपर्क सुनिश्चित करने के लिए एक छोर पर तय कर लो।
    1. एक या दोनों सिरों पर जगह में एलसीई पकड़ है, लेकिन एलसीई नमूना भर शिथिल इस जगह के लिए 3-डी के बर्तन में डिग्री अधिक के माध्यम से एक आयताकार प्लास्टिक के टुकड़े डालें। 24 घंटा विद्युत की कुल के लिए / बंद समय पर एक 5 सेकंड के साथ एक 40 वी एसी विद्युत क्षमता के आवेदन के माध्यम एलसीई प्रोत्साहित।
  6. के रूप में पहले 11 में वर्णित Calcein AM का उपयोग कर जीवित कोशिकाओं की झिल्ली दाग।
  7. नाभिक धुंधला के लिए, एक औंधा फ्लोरोसेंट खुर्दबीन के नीचे इमेजिंग से पहले बढ़ते मध्यम DAPI युक्त कोशिकाओं के साथ कवर किया। जीवित कोशिकाओं की संख्या गिनने और सबसे अच्छा फिट समारोह का उपयोग सेल संरेखण के कोण निर्धारित करने के लिए ImageJ का प्रयोग करें।

6. प्रत्यक्ष हीटिंग का उपयोग LCEs के साथ सक्रिय सेल संस्कृति

  1. दोहराएँ 5.1 कदम - 5.3 कार्बन ब्लैक नैनोकणों जोड़ा बिना एक शुद्ध एलसीई का उपयोग करके उपरोक्त। इस प्रक्रिया का भी एक पूर्व प्रकाशन में विस्तार से वर्णन किया गया है। 11
  2. एक पेट्री घ cardiomyocytes साथ एलसीई स्थानांतरणसेल संस्कृति रखरखाव मीडिया और एक 0.5 "एक्स 2" Kapton प्रतिरोधक हीटर के साथ ish। कम से कम 24 घंटे के लिए पर और 5 सेकंड के अंतराल के साथ गर्मी बंद 12 डब्ल्यू साइकिल के ताप शक्ति के साथ प्रतिरोधक हीटर पर बदल कर एलसीई करने के लिए आपूर्ति की गर्मी।

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Representative Results

Monodomain LCEs लिक्विड क्रिस्टल आदेश देने के साथ नेटवर्क रचना की युग्मन के कारण आकार उत्तरदायी हैं। ताप LCEs लिक्विड क्रिस्टल आदेश पैरामीटर में कमी में परिणाम, प्राथमिक संरेखण दिशा के साथ बहुलक नेटवर्क का एक संकुचन का निर्माण किया। यह आसानी से एक hotplate पर एक एलसीई रखकर कल्पना कर के रूप में चित्रा 1 ए और 1 बी में दिखाया गया है। आर टी, नमूना की लंबाई के साथ एलसीई अनुबंध, और संकुचन से isotropic संक्रमण तापमान ऊपर हीटिंग में एक अधिकतम है। नमूना भी isotropic संक्रमण तापमान ऊपर ऑप्टिकली स्पष्ट हो जाएगा, जबकि कुछ अस्पष्टता isotropization तापमान नीचे भी पूरी तरह से गठबंधन LCEs के लिए मनाया जाता है। एलसीई nanocomposites भी रूप में चित्रा 1 सी और 1 डी में दिखाया गया है, हीटिंग के जवाब में आकार परिवर्तन प्रदर्शन करेंगे। एलसीई nanocomposites द्वारा () नहीं दिखाया एक hotplate पर या तो गर्म किया जा सकता है यानमूना भर में एक बिजली के संभावित आवेदन। जब वोल्टेज चालू है नमूना अनुबंध होगा। कम या कोई आकार परिवर्तन मनाया जाता है, इस संभावना लिक्विड क्रिस्टल निदेशक और एलसीई के संश्लेषण के गरीब संरेखण का एक प्रतिबिंब दोहराया जाना चाहिए। एक चेक के रूप में, शुद्ध एलसीई नमूनों की birefringence एक ध्रुवीकृत ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर परीक्षण किया जा सकता है। जब 45 डिग्री को पार कर polararizers के सापेक्ष पर उन्मुख और जब साथ या तो विश्लेषक या polarizer सीधा करने के लिए उन्मुख अंधेरा दिखाई देनी चाहिए गठबंधन के नमूने अधिकतम birefringence प्रदर्शन करना चाहिए।

लिक्विड क्रिस्टल आदेश देने पर प्रत्यक्ष जानकारी एक्स-रे विवर्तन 33 के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। चित्रा 2 में दिखाया गया है, एक गठबंधन एलसीई mesogens के संरेखण के कारण anisotropic लिक्विड क्रिस्टल विवर्तन चोटियों को दर्शाती है। व्यापक कोण पर चोटियों अणु की चौड़ाई के साथ आणविक रिक्ति के कारण हैं। ईपीओ के मामले मेंsmectic आदेश देने के साथ XY-LCEs, अतिरिक्त चोटियों कम कोण smectic परत रिक्ति को दर्शाती पर मनाया जाता है। सभी नमूनों में, विवर्तन isotropization तापमान ऊपर लिक्विड क्रिस्टल चरण में anisotropic और अव्यवस्थित है। चित्रा 2 में दिखाया गया है, जबकि siloxane एलसीई epoxy-LCEs मुख्य श्रृंखला LCEs हैं संरेखण दिशा साथ Nematic XRD चोटियों प्रदर्शन और संरेखण दिशा को इसी के साथ संरेखण दिशा और कम कोण चोटियों को सीधा चौड़े कोण XRD चोटियों प्रदर्शन करेंगे smectic परत रिक्ति।

अंतर स्कैनिंग उष्मामिति (डीएससी) LCEs 32 में संक्रमण चरण प्रदान करता है। सिलिकॉन आधारित LCEs एक गिलास संक्रमण तापमान (टी जी) अच्छी तरह से आरटी नीचे और हमारे डीएससी के संकल्प के नीचे है, लेकिन एक स्पष्ट चोटी Nematic करने वाली isotropic संक्रमण को इसी 90 डिग्री सेल्सियस के पास मनाया जाता है। इसी तरह की एक चोटी एलसीई n में मनाया जाता हैanocomposites। प्रस्तुत epoxy आधारित LCEs के मामले में, 20 डिग्री सेल्सियस के पास एक गिलास संक्रमण तापमान मनाया और 60 डिग्री सेल्सियस के पास एक smectic करने वाली isotropic संक्रमण तापमान है। यह ध्यान रखें कि कांच और isotropic संक्रमण तापमान elastomers की संरचना और जोड़ने समूह बदलकर संशोधित किया जा सकता है महत्वपूर्ण है।

गतिशील यांत्रिक विश्लेषण लागू वोल्टेज (चित्रा 3) के एक समारोह के रूप में, एलसीई nanocomposites के मामले में तापमान के एक समारोह के रूप में एलसीई आकार परिवर्तन का एक मात्रात्मक उपाय प्रदान करता है और। तापमान में वृद्धि, isotropic चरण के लिए संक्रमण के लिए ऊपर के साथ नमूना अनुबंध। एक स्पंदित विद्युत वोल्टेज के मामले में, एलसीई nanocomposites विद्युत क्षमता के साथ चरण में चक्रीय तनाव दिखा रहे हैं।

सक्रिय सेल संस्कृति प्रयोगों के लिए एक कस्टम, 3-डी मुद्रित पोत का उपयोग किया जाता है (चित्रा 4)। के माध्यम से छेद प्रवाहकीय कार्बन छड़ के स्थान के लिए अनुमति देते हैं, और पोत सेल संस्कृति मीडिया से भर जाता है। एक एलसीई nanocomposite सतह पर सेल लगाव का एक उदाहरण संवर्धन के 3 दिन बाद एक गैर उत्तेजित नमूना के लिए चित्रा 5 में दिखाया गया है। Cardiomyocytes अच्छा लगाव और व्यवहार्यता दिखा।

आकृति 1
LCEs और एलसीई nanocomposites के चित्रा 1. आकृति-प्रतिक्रिया। LCEs अनुबंध और जब आरटी (ए) से Nematic करने वाली isotropic संक्रमण तापमान ऊपर करने के लिए गर्म reversibly बढ़ाना, मोटे तौर पर 80 डिग्री सेल्सियस (बी)। एक बिजली क्षमता (सी और डी) के आवेदन पर एलसीई nanocomposites अनुबंध। वोल्टेज लागू एक 40 वी एसी संकेत है। एक larg देखने के लिए यहाँ क्लिक करेंयह आंकड़ा की एर संस्करण।

चित्र 2
चित्रा 2. 2-डी गठबंधन LCEs से एक्स-रे विवर्तन। LCEs गठबंधन लिक्विड क्रिस्टल संरेखण के कारण anisotropic विवर्तन पैटर्न दिखा रहे हैं। के रूप में (बी और डी) फ्रेम में सफेद तीर द्वारा संकेत संरेखण दिशा ऊर्ध्वाधर दिशा में है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. गतिशील यांत्रिक विश्लेषण LCEs में आकार-जवाबदेही की (डीएमए)। (ए) 4 हीटिंग और ठंडा चक्र के लिए एक siloxane एलसीई के thermomechanical माप। अधिकतम संकुचन नमूना लंबाई के साथ 35% है। (बी) विद्युत तनाव एक 40 वी एसी विद्युत क्षमता के साथ एक एलसीई nanocomposite में मापा चालू है और हर 15 सेकंड के लिए रवाना। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. सक्रिय सेल संस्कृति के लिए कस्टम पोत के योजनाबद्ध। छेद के माध्यम से प्रवाहकीय कार्बन छड़, जो एक सिलिकॉन, जैव-ग्रेड चिपकने का उपयोग किनारों पर सुरक्षित और सील कर रहे हैं की प्रविष्टि के लिए अनुमति देते हैं। दो प्लेटें एक या दोनों सिरों पर एलसीई सुरक्षित करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. एक एलसीई nanocomposite सतह पर cardiomyocytes के प्रतिदीप्ति विश्लेषण। कोशिकाओं Calcein AM साथ दाग रहे हैं, और जीवित कोशिकाओं हरी दिखाई देते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Acknowledgments

यह काम राष्ट्रीय कैरियर फाउंडेशन (आर.वी. को CBET-1,336,073), एसीएस पेट्रोलियम रिसर्च फंड (आर वी करने के लिए 52345-DN17), अमेरिकन हार्ट एसोसिएशन (JGJ को BGIA), राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (कैरियर द्वारा समर्थित किया गया CBET-1,055,942 करने के लिए JGJ), स्वास्थ्य / राष्ट्रीय हृदय, फेफड़े और रक्त संस्थान (JGJ को 1R21HL110330), लुई और पीचिस ओवेन और टेक्सास बच्चों के अस्पताल के राष्ट्रीय संस्थानों।

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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Kim, H., Zhu, B., Chen, H., Adetiba, … 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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