Preparazione di Monodomain Liquid Crystal Elastomeri e cristallo elastomero Nanocompositi Liquid
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 sono materiali di forma-reattiva con cambio completamente reversibile forma e potenziali applicazioni nel campo della medicina, l'ingegneria dei tessuti, i muscoli artificiali e robot come morbidi. Qui, dimostriamo la preparazione di elastomeri forma-reattiva a cristalli liquidi (LCEs) e nanocompositi LCE con la caratterizzazione della loro forma-reattività, proprietà meccaniche e microstruttura. Due tipi di LCEs – polisilossano-based e epossidici – sono sintetizzati, allineati e caratterizzati. LCEs polisilossano-based vengono preparati attraverso due fasi di reticolazione, la seconda sotto un carico applicato, con conseguente LCEs monodomain. nanocompositi polisilossano LCE sono preparati mediante l'aggiunta di nanoparticelle di carbonio conduttivo nero, sia durante la maggior parte della LCE e alla superficie LCE. LCEs a base epossidica sono preparati mediante una reazione di esterificazione reversibile. LCEs a base epossidica sono allineate attraverso l'applicazione di un carico uniassiale a elevata (160 ° C) temperatures. LCEs allineate e nanocompositi LCE sono caratterizzate rispetto al ceppo reversibili, rigidità meccanica, e ordinazione cristalli liquidi usando una combinazione di immagini, misure di diffrazione di raggi X bidimensionali, calorimetria differenziale a scansione, e analisi meccanica dinamica. LCEs e nanocompositi LCE possono essere stimolati con calore e / o potenziale elettrico di generare in modo controllabile tensioni nei terreni di coltura delle cellule, e ci dimostrano l'applicazione di LCEs come substrati di forma-reattivo per colture cellulari che utilizzano un dispositivo su misura.
Introduction
Materiali che possono esibire forma cambia veloci, reversibili e programmabili sono desiderabili per un numero di applicazioni emergenti 1-9. Stent Shape-reattiva può aiutare con la guarigione della ferita e il trattamento 7. Robot artificiali possono aiutare nell'esplorazione e nello svolgimento dei compiti in ambienti che sono nocivi o non sicuri per gli esseri umani 10. Elastomeri Shape-responsive sono desiderabili per l'uso in coltura cellulare attiva, in cui le cellule sono coltivate in un ambiente attivo. 11-14 Altre applicazioni includono l'imballaggio, rilevamento e drug delivery.
Elastomeri a cristalli liquidi (LCE) sono reti di polimeri a cristalli liquidi con l'ordinazione 15-20. LCEs sono realizzati combinando una rete polimerica flessibile molecole dei cristalli liquidi note come mesogeni. La reattività del LCEs deriva dall'accoppiamento dell'ordine cristalli liquidi a ceppi nella rete polimerica, e stimoli che influenzano l'ordine di mesogeni sarà geneceppi di rete tasso, e viceversa. Per conseguire grandi e reversibili forma-changes in assenza di un carico esterno, i mesogeni devono essere orientati in un'unica direzione nel LCE. Una sfida pratica comune a lavorare con LCEs sta generando monodomain LCEs. Un'altra sfida sta generando cambiamenti di forma in risposta a stimoli diversi da riscaldamento diretto. Questo può essere fatto mediante l'aggiunta di nanoparticelle o coloranti a reti LCE 21-28.
Qui, dimostriamo la preparazione di LCEs monodomain e nanocompositi LCE. In primo luogo, abbiamo dimostrato la preparazione di LCEs monodomain utilizzando il metodo in due fasi la prima volta da Kupfer et al. 29 Questo è ancora il metodo più popolare e noto per la preparazione di LCEs monodomain, ma raggiungere l'allineamento e la consistenza uniforme tra i campioni può essere impegnativo . Abbiamo dimostrato un approccio che può essere facilmente implementato utilizzando apparecchiature di laboratorio standard, compreso tutti i dettagli sul campionamentola manipolazione e la preparazione. Successivamente, si mostra come carbonio conduttivo nanoparticelle nere possono essere aggiunti alla LCEs per la produzione di conduttori, LCEs reattivi elettricamente. Abbiamo poi dimostrare la sintesi e l'allineamento di LCEs a base epossidica. Questi materiali presentano legami rete scambiabili e possono essere allineati mediante riscaldamento a temperature elevate e applicando un carico uniforme. Tutti LCEs sono caratterizzati attraverso immagini campione macroscopico, misure di diffrazione di raggi X e analisi meccanica dinamica. Infine, abbiamo dimostrato una potenziale applicazione LCEs come substrati di forma-reattiva per coltura cellulare attiva.
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
Questo lavoro è stato supportato dal Career Fondazione Nazionale (CBET-1.336.073 a RV), il Fondo di ricerca del petrolio ACS (52345-DN17 a RV), l'American Heart Association (BGIA a JGJ), la National Science Foundation (CARRIERA CBET-1.055.942 a JGJ), il National Institutes of Health / National Heart, Lung and Blood Institute (1R21HL110330 a JGJ), Louis e pesche Owen e l'ospedale dei bambini del Texas.
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 |
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