Herstellung von Monodomäne Liquid Crystal Elastomere und Liquid Crystal Elastomer Nanokomposite

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 sind Form ansprechenden Materialien mit völlig reversibel Formänderung und mögliche Anwendungen in der Medizin, Tissue Engineering, künstliche Muskeln, und so weich Roboter. Hier zeigen wir die Herstellung von Form ansprechende Flüssigkristall-Elastomere (LCEs) und LCE Nanokomposite sowie Charakterisierung ihrer Form-Reaktionsfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur. Zwei Arten von LCEs – Polysiloxan basierenden und auf Epoxybasis – synthetisiert werden, ausgerichtet sind, und charakterisiert. Auf Polysiloxanbasis LCEs werden über zwei Vernetzungsschritten hergestellt, die zweite unter einer angelegten Last, was zu einer Monodomäne LCEs. Polysiloxan LCE Nanokomposite werden durch Zugabe von leitfähigem Ruß Nanopartikel, die beide über die Masse des LCE und mit dem LCE Oberfläche vorbereitet. Epoxid-Basis LCEs werden durch eine reversible Veresterung hergestellt. Epoxybasis LCEs werden durch die Anwendung einer uniaxialen Belastung bei erhöhten (160 ° C) ausgerichtet temperatures. Ausgerichtet LCEs und LCE Nanokomposite werden in Bezug auf reversible Dehnung, mechanische Steifigkeit aus, und Flüssigkristall-Bestellung eine Kombination aus Bildgebung, zweidimensionalen Röntgenbeugungsmessungen, Differentialscanningkalorimetrie und dynamische mechanische Analyse. LCEs und LCE Nanokomposite können mit Wärme und / oder elektrische Potential stimuliert werden, um steuerbar Stämme in Zellkulturmedien zu erzeugen, und wir zeigen die Anwendung als Form LCEs reagierende Substrate für Zellkultur eine maßgeschneiderte Vorrichtung verwendet.

Introduction

Materialien, die ^1-9 wünschenswert sind schnell, reversibel und programmierbare Formänderungen für eine Reihe von neuen Anwendungen aufweisen kann. Form-responsive Stents können ⁷ mit der Wundheilung und Behandlung unterstützen. Künstliche Roboter können in der Explorations- oder bei der Durchführung von Aufgaben in Umgebungen unterstützen, die für den Menschen schädlich ¹⁰ oder unsicher sind. Form-responsive Elastomere wünschenswert sind für den Einsatz in aktiven Zellkultur, in der Zellen, die in einer aktiven Umgebung befinden. ^11-14 Weitere Anwendungen sind Verpackungen, Abtastung und Drug-Delivery.

Flüssigkristall-Elastomere (LCE) sind Polymernetzwerke mit Flüssigkristall ^15-20 bestellen. LCEs werden durch die Kombination eines flexiblen Polymernetzwerk mit Flüssigkristallmoleküle bekannt als Mesogene hergestellt. Die Reaktionsfähigkeit LCEs aus der Kopplung von Flüssigkristall um Stämme in dem Polymernetzwerk abgeleitet ist, und Reize, die die Reihenfolge der Mesogene beeinflussen GenRate Netzwerk-Stämme, und umgekehrt. Um große und reversible Formänderungen in der Abwesenheit von einer externen Last zu erreichen, müssen die Mesogene in einer einzigen Richtung in dem LCE ausgerichtet werden. Eine gemeinsame praktische Herausforderung bei der Arbeit mit LCEs erzeugt Monodomäne LCEs. Eine weitere Herausforderung ist die Erzeugung Formänderungen als Reaktion auf Reize andere als Direktheizung. Dies kann durch die Zugabe von Nanopartikeln oder Farbstoffen LCE Netzwerke ^21-28 erfolgen.

Hier zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs und LCE Nanokomposite. Zuerst zeigen wir die Herstellung von Monodomäne LCEs des zweistufigen Verfahren unter Verwendung von zuerst von Kupfer et al. ^29. Dies ist immer noch die beliebteste und bekannteste Methode zur Monodomäne LCEs Vorbereitung, aber, eine gleichmäßige Ausrichtung und Konsistenz zwischen den Proben kann eine Herausforderung sein . Wir zeigen einen Ansatz, der leicht unter Verwendung von Standardlaborgeräten durchgeführt werden können, einschließlich der vollständigen Details zur ProbenahmeHandhabung und Zubereitung. Als nächstes zeigen wir, wie leitfähigen Ruß Nanopartikel LCEs hinzugefügt werden können leitfähige, elektrisch ansprechende LCEs zu erzeugen. Wir zeigen dann die Synthese und die Ausrichtung von Epoxid-Basis LCEs. Diese Materialien weisen austauschbare Netzwerk-Bindungen und kann durch Erwärmen auf erhöhte Temperaturen und Anlegen einer gleichmäßigen Belastung ausgerichtet werden. Alle LCEs durch makroskopischen Probenabbildung, Röntgenbeugungsmessungen und dynamisch-mechanischen Analyse charakterisiert. Schließlich zeigen wir eine mögliche Anwendung von LCEs als Form reagierenden Substrate für aktive Zellkultur.

Protocol

1. Synthese von Aligned Polysiloxan LCEs Kombinieren 166.23 mg von reaktiven Mesogen (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) benzoat), 40 mg Poly (Hydrogenmethylsiloxan-) und 12,8 mg an Vernetzer (1,4-Di (10-undecenyloxybenzene) 30 mit 0,6 ml wasserfreiem Toluol in einem kleinen Fläschchen (ca. 13 mm Durchmesser und 100 mm Länge) mit einem Rührstab beschickt. Man rührt die Lösung bei 35 ° C für 25 min zu lösen. In einem separaten Fläschchen, bereiten eine Lösung von 1 Gew% Dichlor (1…

Representative Results

Monodomäne LCEs sind Form ansprechenden durch Kopplung von Netz Konformation mit Flüssigkristall-Bestellung. Heizung LCEs führt zu einer Abnahme in der Flüssigkristall-Ordnungsparameter, eine Kontraktion des Polymernetzwerk entlang der primären Orientierungsrichtung zu erzeugen. Dies wird einfach durch Plazieren eines LCE auf einer Heizplatte sichtbar gemacht, wie in 1A und 1B gezeigt. In Erwärmung entlang der Länge der Probe von RT, die LCE Vertr…

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…

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