JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

إعداد Monodomain الكريستال السائل اللدائن والكريستال السائل المرنة Nanocomposites

Published: February 06, 2016
doi:
10.3791/53688
, , , , , , ,
1Chemical and Biomolecular Engineering,Rice University, 2Bioengineering,Rice University, 3Materials Sciences and NanoEngineering,Rice University, 4Congenital Heart Surgery Services,Texas Children’s Hospital

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 هي مواد شكل استجابة لتغير عكسها تماما الشكل والتطبيقات الممكنة في مجال الطب وهندسة الأنسجة والعضلات الاصطناعية، والروبوتات ميسرة. هنا، علينا أن نظهر إعداد اللدائن شكل استجابة الكريستال السائل (LCEs) وnanocomposites LCE جنبا إلى جنب مع توصيف شكلها التجاوب، الخواص الميكانيكية، والمجهرية. تم تجميعها، الانحياز، وتتميز – نوعين من LCEs – القائم على polysiloxane والقائم على الايبوكسي. تعد LCEs القائم على Polysiloxane من خلال خطوتين يشابك، والثانية تحت عبء تطبيقها، مما أدى إلى LCEs monodomain. يتم إعداد nanocomposites Polysiloxane LCE من خلال إضافة النانوية أسود الكربون موصل، على حد سواء في جميع أنحاء الجزء الأكبر من LCE وإلى السطح LCE. يتم إعداد LCEs من الإيبوكسي من خلال تفاعل الأسترة عكسها. يتم محاذاة LCEs من الإيبوكسي من خلال تطبيق حمولة ذو محورين في ارتفاع (160 درجة مئوية) رemperatures. تتميز LCEs الانحياز وnanocomposites LCE فيما يتعلق سلالة عكسها، وصلابة الميكانيكية، وترتيب الكريستال السائل باستخدام مزيج من التصوير، وقياسات حيود الأشعة السينية ثنائية الأبعاد، التفاضلية مسح قياس الكالوري، والتحليل الميكانيكي الحيوي. LCEs وnanocomposites LCE يمكن حفز مع الحرارة و / أو الجهد الكهربائي لتوليد controllably سلالات في وسائل الإعلام ثقافة الخلية، ونحن لشرح تطبيق LCEs بمثابة ركائز شكل استجابة للثقافة الخلية باستخدام جهاز حسب الطلب.

Introduction

المواد التي يمكن أن تظهر يتغير شكل سريع، عكسها، وبرمجة ومرغوب فيه لعدد من التطبيقات المستجدة 1-9. يمكن الدعامات شكل استجابة مساعدة في التئام الجروح ومعالجة 7. يمكن الروبوتات الاصطناعية تساعد في استكشاف أو في تنفيذ المهام في البيئات التي تضر أو غير آمنة للبشر (10). اللدائن شكل استجابة مرغوبة للاستخدام في ثقافة الخلية النشطة، في الخلايا التي يتم تربيتها في بيئة نشطة وتشمل 11-14 تطبيقات أخرى التعبئة والتغليف، الاستشعار عن بعد، وتسليم المخدرات.

اللدائن الكريستال السائل (LCE) هي شبكات البوليمر مع الكريستال السائل يأمر 15-20. مصنوعة LCEs من خلال الجمع بين شبكة البوليمر مرنة مع جزيئات الكريستال السائل المعروف باسم mesogens. مشتق استجابة LCEs من اقتران النظام الكريستال السائل لسلالات في الشبكة البوليمر، والمحفزات التي تؤثر على ترتيب mesogens سوف الجينسلالات شبكة حال، والعكس بالعكس. من أجل تحقيق-يتغير شكل الكبيرة وعكسها في حال عدم وجود الحمولة الخارجية، يجب محاذاة mesogens في اتجاه واحد في LCE. والتحدي العملي المشترك في العمل مع LCEs يولد monodomain LCEs. وهناك تحد آخر هو توليد يتغير شكل استجابة لمنبهات غير التسخين المباشر. ويمكن القيام بذلك من خلال إضافة النانوية أو الأصباغ لشبكات LCE 21-28.

هنا، علينا أن نظهر إعداد LCEs monodomain وnanocomposites LCE. أولا، علينا أن نظهر إعداد LCEs monodomain باستخدام طريقة من خطوتين لاول مرة من قبل كوبفر وآخرون. 29 ولا يزال هذا هو الأسلوب الأكثر شعبية ومعروفة لإعداد LCEs monodomain، ولكن تحقيق المواءمة موحدة والاتساق بين العينات يمكن أن يكون تحديا . ونحن لشرح النهج التي يمكن تنفيذها بسهولة باستخدام معدات المختبرات القياسية، بما في ذلك تفاصيل كاملة عن أخذ العيناتمعالجة وإعداد. بعد ذلك، وتبين لنا كيف النانوية أسود الكربون موصل يمكن أن تضاف إلى LCEs لإنتاج موصل، LCEs استجابة كهربائيا. نحن ثم إظهار التوليف والمواءمة بين LCEs القائم الايبوكسي. هذه المواد يحمل سندات شبكة للتبادل ويمكن الانحياز عن طريق التسخين لدرجات حرارة مرتفعة وتطبيق حمولة موحد. وتتميز جميع LCEs من خلال العيانية عينة التصوير، وقياسات حيود الأشعة السينية، والتحليل الميكانيكي الحيوي. وأخيرا، علينا أن نظهر تطبيق واحد محتمل من LCEs بمثابة ركائز شكل استجابة للثقافة الخلية النشطة.

Protocol

1. توليف الانحياز Polysiloxane LCEs الجمع بين 166.23 ملغ من mesogen رد الفعل (4 methoxyphenyl 4- (3 butenyloxy) بنزوات)، 40 ملغ من بولي (hydromethylsiloxane)، و 12.8 ملغ من crosslinker (1،4-دي (10 undecenyloxybenzene) 30 مع 0.6 مل من اللامائية التولوين في قارورة صغيرة (حوالي 13 مل…

Representative Results

LCEs Monodomain هي شكل استجابة بسبب اقتران التشكل الشبكة مع ترتيب الكريستال السائل. النتائج إلى انخفاض في المعلمة أجل الكريستال السائل، مما ينتج عنه انقباض شبكة البوليمرية على طول اتجاه التوافق الأساسي LCEs التدفئة. وتصور هذا بسهولة عن طريق وضع LCE على موقد، …

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

وأيد هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للمالية (CBET-1336073 لRV)، وصندوق بحوث البترول ACS (52345-DN17 إلى RV)، وجمعية القلب الأميركية (BGIA إلى JGJ)، المؤسسة الوطنية للعلوم (التوظيف CBET-1055942 ل JGJ)، والمعاهد الوطنية للصحة / القومي للقلب والرئة والدم المعهد (1R21HL110330 إلى JGJ)، لويس والخوخ أوين ومستشفى تكساس للأطفال.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nikkhah, M., Edalat, F., Manoucheri, S., Khademhosseini, A. Engineering microscale topographies to control the cell-substrate interface. Biomaterials. 33 (21), 5230-5246 (2012).
  2. Mather, P. T., Luo, X., Rousseau, I. A. Shape Memory Polymer Research. Annu. Rev. Mater. Res. 39 (1), 445-471 (2009).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Chen, Q., Liang, S., Thouas, G. A. Elastomeric biomaterials for tissue engineering. Prog. Polym. Sci. 38 (3-4), 584-671 (2013).
  6. Mano, J. F. Stimuli-Responsive Polymeric Systems for Biomedical Applications. Adv. Eng. Mater. 10 (6), 515-527 (2008).
  7. Ratna, D., Karger-Kocsis, J. Recent advances in shape memory polymers and composites: a review. J. Mater. Sci. 43 (1), 254-269 (2008).
  8. Biggs, J., Danielmeier, K., et al. Electroactive Polymers: Developments of and Perspectives for Dielectric Elastomers. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (36), 9409-9421 (2013).
  9. 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).
  10. Shepherd, R. F., Ilievski, F., et al. Multigait soft robot. Proc. Natl. Acad. Sci. 108 (51), 20400-20403 (2011).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Davis, K. A., Luo, X., Mather, P. T., Henderson, J. H. Shape Memory Polymers for Active Cell Culture. J Vis Exp. , e2903 (2011).
  15. Warner, M., Terentjev, E. M. . Liquid Crystal Elastomers. , (2003).
  16. Urayama, K. Selected Issues in Liquid Crystal Elastomers and Gels. Macromolecules. 40 (7), 2277-2288 (2007).
  17. 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).
  18. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
  19. Jiang, H., Li, C., Huang, X. Actuators based on liquid crystalline elastomer materials. Nanoscale. 5 (12), 5225-5240 (2013).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Marshall, J. E., Terentjev, E. M. Photo-sensitivity of dye-doped liquid crystal elastomers. Soft Matter. 9 (35), 8547-8551 (2013).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Küpfer, J., Finkelmann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromol Chem Rapid Commun. 12 (12), 717-726 (1991).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Agrawal, A., Chipara, A. C., et al. Dynamic self-stiffening in liquid crystal elastomers. Nat Commun. 4, 1739 (2013).
  34. Sharma, A., Neshat, A., et al. Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures. Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Liu, D., Broer, D. J. Light controlled friction at a liquid crystal polymer coating with switchable patterning. Soft Matter. 10 (40), 7952-7958 (2014).

Tags

Liquid Crystal ElastomersNanocompositesStimuli-responsiveCardiac Cell SheetsReactive MesogenSiloxaneCrosslinkerPlatinum CatalystPTFE MoldLiquid Nitrogen

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image