Monodomain Sıvı Kristal Elastomerler ve Likit Kristal Elastomer Nanokompozitlerinin Hazırlanması
Summary
We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.
Abstract
LCEs tam olarak geri dönüşlü şekil değişikliği ve tıpta potansiyel uygulamalar, doku mühendisliği, yapay kas ve yumuşak robotlar ile şekil duyarlı malzemelerdir. Burada, bunların şekil yanıt karakterizasyonu, mekanik özellikler ve mikro birlikte şekil duyarlı sıvı kristal elastomerler (LCEs) ve LCE nanokompozitlerin preparasyonunu göstermektedir. LCEs iki tip – polisiloksan esaslı Epoksi – sentez hizalanır ve karakterize edilir. Polisiloksan esaslı LCEs monodomain LCEs sonuçlanan iki çapraz bağlama adımları, belli bir yük altında ikinci yoluyla hazırlanır. Polisiloksan LCE nanokompozitler LCE kütlesi içinde ve LCE yüzeyine, hem iletken karbon siyahı nanopartiküllerin eklenmesiyle hazırlanmaktadır. Epoksi esaslı LCEs tersinir bir esterifikasyon reaksiyonu ile hazırlanır. Epoksi esaslı LCEs (160 ° C) yüksek bir T bir tek eksenli bir yük uygulanması ile hizalanıremperatures. Hizalanmış LCEs ve LCE nanokompozitler görüntüleme, iki boyutlu X-ışını difraksiyon ölçümleri, diferansiyel tarama kalorimetrisi, dinamik mekanik analiz bir kombinasyonu kullanılarak geri gerilme, makine sertlik ve sıvı kristal sipariş göre karakterize edilir. LCEs ve LCE nanokompozitler kontrol edilebilir hücre kültür ortamında suşları oluşturmak için ısı ve / veya elektrik potansiyeli ile uyarılmış ve bir ölçüye cihazı kullanılarak, hücre kültürü için şekil yanıt substratlar olarak LCEs uygulanmasını göstermektedir edilebilir.
Introduction
Hızlı, tersine çevrilebilir, ve programlanabilir şekil değişikliklerini sergileyebilir malzemeler ortaya uygulama 1-9 arasında bir sayı için tercih edilir. Şekil-duyarlı stentler yara iyileşmesi ve tedavisi 7 ile yardımcı olabilir. Yapay robotlar keşif veya zararlı ya da insanlar 10 güvensiz ortamlarda görevlerini yürüten yardımcı olabilir. Şekil duyarlı elastomerler hücreler aktif bir ortamda kültürlenir, aktif hücre kültürü, kullanım için tercih edilirler. 11-14 Diğer uygulamalar paketleme, algılama ve ilaç verilmesini içerir.
Sıvı kristal elastomerler (LCE) sıvı kristal 15-20 sipariş ile polimer ağlardır. LCEs mezojenler olarak bilinen, sıvı kristal molekülleri ile, esnek bir polimer ağı birleştirilerek yapılır. LCEs duyarlılığı mezojenler sıralamasını etkileyen polimerik ağda suşları ve uyaranlara sıvı kristal düzeninin birleşmesiyle oluşur olacak genoran ağ suşları, ve tersi. Harici bir yüke maruz olmayan, büyük ve tersine çevrilebilir bir şekil değişiklikleri elde etmek için, mezogenler LCE tek bir yönde hizalanmış olması gerekir. LCEs ile çalışan ortak bir pratik zorluk LCEs monodomain oluşturuyor. Diğer bir zorluk doğrudan ısıtma dışındaki uyaranlara yanıt olarak şekil değişiklikleri oluşturuyor. Bu LCE ağlar 21-28 nanopartiküller ya da boyalar ilave edilerek yapılabilir.
Burada, monodomain LCEs ve LCE nanokompozitlerin preparasyonunu göstermektedir. İlk olarak, ilk Kupfer ve arkadaşları tarafından rapor edilen iki aşamalı yöntemi kullanarak monodomain LCEs hazırlanmasını göstermektedir. 29 Bu hala zor olabilir örnekleri arasında düzgün hizalanmasını ve tutarlılığı monodomain LCEs hazırlanması ancak elde edilmesi için en popüler ve iyi bilinen bir yöntemdir . Biz örnekleme tam ayrıntılar da dahil olmak üzere kolayca standart laboratuar ekipmanı kullanılarak uygulanabilir bir yaklaşım, göstermektaşıma ve hazırlık. Daha sonra, iletken karbon siyahı nanopartiküller olarak iletken, elektriksel olarak duyarlı LCEs üretilmesi için LCEs eklenebilir şeklini göstermektedir. Sonra, epoksi esaslı LCEs sentezini ve hizalanmasını göstermektedir. Bu malzemeler değişebilir ağ bağlar sergiler ve yüksek sıcaklıklara ısıtılması ve homojen bir yük uygulanması ile uyumlu olabilir. Tüm LCEs makroskopik örnek görüntüleme, X-ışını difraksiyon ölçümleri, dinamik mekanik analiz ile karakterize edilir. Son olarak, biz aktif hücre kültürü için şekil duyarlı yüzeyler olarak LCEs biri potansiyel uygulama göstermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
In order to produce monodomain LCEs, the LCEs need to be uniaxially loaded during crosslinking. This is challenging in practice because the LCE is loaded when it is only partially crosslinked, and therefore is not mechanically robust and can easily break or tear. The procedure described above (steps 1.1 – 1.4) can produce monodomain LCEs consistently. One critical step is the removal of the LCE from the PTFE mold for loading at the appropriate time. If the LCE is removed too quickly, it will easily break or tear. On the…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Kariyer Vakfı (RV CBET-1336073), ACS Petrol Araştırma Fonu (RV 52345-DN17), Amerikan Kalp Derneği (JGJ için BGIA), Ulusal Bilim Vakfı (KARİYER tarafından desteklenmiştir CBET-1055942 için JGJ), Sağlık / Ulusal Kalp, Akciğer ve Kan Enstitüsü JGJ için (1R21HL110330), Louis ve Şeftali Owen ve Texas Çocuk Hastanesi National Institutes of.
Materials
| 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 |
References
- Nikkhah, M., Edalat, F., Manoucheri, S., Khademhosseini, A. Engineering microscale topographies to control the cell-substrate interface. Biomaterials. 33 (21), 5230-5246 (2012).
- Mather, P. T., Luo, X., Rousseau, I. A. Shape Memory Polymer Research. Annu. Rev. Mater. Res. 39 (1), 445-471 (2009).
- Small, W., Singhal, P., Wilson, T. S., Maitland, D. J. Biomedical applications of thermally activated shape memory polymers. J. Mater. Chem. 20 (17), 3356-3366 (2010).
- Rickert, D., Lendlein, A., Peters, I., Moses, M. A., Franke, R. P. Biocompatibility testing of novel multifunctional polymeric biomaterials for tissue engineering applications in head and neck surgery: an overview. Eur. Arch. Oto-Rhino-Laryngol. Head Neck. 263 (3), 215-222 (2006).
- Chen, Q., Liang, S., Thouas, G. A. Elastomeric biomaterials for tissue engineering. Prog. Polym. Sci. 38 (3-4), 584-671 (2013).
- Mano, J. F. Stimuli-Responsive Polymeric Systems for Biomedical Applications. Adv. Eng. Mater. 10 (6), 515-527 (2008).
- Ratna, D., Karger-Kocsis, J. Recent advances in shape memory polymers and composites: a review. J. Mater. Sci. 43 (1), 254-269 (2008).
- Biggs, J., Danielmeier, K., et al. Electroactive Polymers: Developments of and Perspectives for Dielectric Elastomers. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (36), 9409-9421 (2013).
- Ware, T. H., McConney, M. E., Wie, J. J., Tondiglia, V. P., White, T. J. Voxelated liquid crystal elastomers. Science. 347 (6225), 982-984 (2015).
- Shepherd, R. F., Ilievski, F., et al. Multigait soft robot. Proc. Natl. Acad. Sci. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- Agrawal, A., Adetiba, O., Kim, H., Chen, H., Jacot, J. G., Verduzco, R. Stimuli-responsive liquid crystal elastomers for dynamic cell culture. J. Mater. Res. 30 (04), 453-462 (2015).
- Yang, P., Baker, R. M., Henderson, J. H., Mather, P. T. In vitro wrinkle formation via shape memory dynamically aligns adherent cells. Soft Matter. 9 (18), 4705-4714 (2013).
- Xu, X., Davis, K. A., Yang, P., Gu, X., Henderson, J. H., Mather, P. T. Shape Memory RGD-Containing Networks: Synthesis, Characterization, and Application in Cell Culture. Macromol. Symp. 309-310 (1), 162-172 (2011).
- Davis, K. A., Luo, X., Mather, P. T., Henderson, J. H. Shape Memory Polymers for Active Cell Culture. J Vis Exp. , e2903 (2011).
- Warner, M., Terentjev, E. M. . Liquid Crystal Elastomers. , (2003).
- Urayama, K. Selected Issues in Liquid Crystal Elastomers and Gels. Macromolecules. 40 (7), 2277-2288 (2007).
- Fleischmann, E. K., Zentel, R. Liquid-Crystalline Ordering as a Concept in Materials Science: From Semiconductors to Stimuli-Responsive Devices. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (34), 8810-8827 (2013).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
- Jiang, H., Li, C., Huang, X. Actuators based on liquid crystalline elastomer materials. Nanoscale. 5 (12), 5225-5240 (2013).
- Burke, K. A., Rousseau, I. A., Mather, P. T. Reversible actuation in main-chain liquid crystalline elastomers with varying crosslink densities. Polymer. 55 (23), 5897-5907 (2014).
- Chambers, M., Finkelmann, H., Remškar, M., Sánchez-Ferrer, A., Zalar, B., Žumer, S. Liquid crystal elastomer-nanoparticle systems for actuation. J. Mater. Chem. 19 (11), 1524-1531 (2009).
- Chambers, M., Zalar, B., Remskar, M., Zumer, S., Finkelmann, H. Actuation of liquid crystal elastomers reprocessed with carbon nanoparticles. Appl. Phys. Lett. 89 (24), 243116 (2006).
- Kohlmeyer, R. R., Chen, J. Wavelength-Selective IR Light-Driven Hinges Based on Liquid Crystalline Elastomer Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (35), 9234-9237 (2013).
- Liu, X., Wei, R., Hoang, P. T., Wang, X., Liu, T., Keller, P. Reversible and Rapid Laser Actuation of Liquid Crystalline Elastomer Micropillars with Inclusion of Gold Nanoparticles. Adv. Funct. Mater. 25 (20), 3022-3032 (2015).
- Marshall, J. E., Terentjev, E. M. Photo-sensitivity of dye-doped liquid crystal elastomers. Soft Matter. 9 (35), 8547-8551 (2013).
- Marshall, J. E., Ji, Y., Torras, N., Zinoviev, K., Terentjev, E. M. Carbon-nanotube sensitized nematic elastomer composites for IR-visible photo-actuation. Soft Matter. 8 (5), 1570-1574 (2012).
- Camargo, C. J., Campanella, H., et al. Localised Actuation in Composites Containing Carbon Nanotubes and Liquid Crystalline Elastomers. Macromol. Rapid Commun. 32, 1953-1959 (2011).
- Ahir, S. V., Squires, A. M., Tajbakhsh, A. R., Terentjev, E. M. Infrared actuation in aligned polymer-nanotube composites. Phys Rev B. 73 (8), 085420 (2006).
- Küpfer, J., Finkelmann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromol Chem Rapid Commun. 12 (12), 717-726 (1991).
- 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. Corros. Sci. 50 (11), 3070-3077 (2008).
- Giamberjni, M., Amendola, E., Carfagna, C. Liquid Crystalline Epoxy Thermosets. Mol. Cryst. Liq. Cryst. Sci. Technol. Sect. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 266 (1), 9-22 (1995).
- Agrawal, A., Luchette, P., Palffy-Muhoray, P., Biswal, S. L., Chapman, W. G., Verduzco, R. Surface wrinkling in liquid crystal elastomers. Soft Matter. 8 (27), 7138-7142 (2012).
- Agrawal, A., Chipara, A. C., et al. Dynamic self-stiffening in liquid crystal elastomers. Nat Commun. 4, 1739 (2013).
- Sharma, A., Neshat, A., et al. Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures. Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).
- Yeh, L. C., Dai, C. F., et al. Neat poly(ortho-methoxyaniline) electrospun nanofibers for neural stem cell differentiation. J. Mater. Chem. B. 1, 5469-5477 (2013).
- Krause, S., Dersch, R., Wendorff, J. H., Finkelmann, H. Photocrosslinkable Liquid Crystal Main-Chain Polymers: Thin Films and Electrospinning. Macromol. Rapid Commun. 28 (21), 2062-2068 (2007).
- Liu, D., Broer, D. J. Light controlled friction at a liquid crystal polymer coating with switchable patterning. Soft Matter. 10 (40), 7952-7958 (2014).
