Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

הכנת Monodomain Liquid Crystal אלסטומרים גביש נוזלי Nanocomposites אלסטומר

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 הוא חומרי צורה מגיבה עם שינוי צורה הפיכה לחלוטין ויישומים עתידיים, בתחומי רפואה, הנדסת רקמות, שרירים מלאכותיים, ורובוטים רכים כמו. הנה, אנחנו מדגימים הכנת אלסטומרים גביש נוזלי-תגובה צורה (LCEs) ו nanocomposites LCE יחד עם אפיון של הצורה-ההיענות שלהם, תכונות מכניות, מיקרו. שני סוגים של LCEs - polysiloxane מבוסס אפוקסי מבוסס - מסונתזים, מיושר, ומאופיין. LCEs מבוסס polysiloxane ערוך באמצעות שני צעדים crosslinking, והשני תחת עומס מופעל, וכתוצאה מכך LCEs monodomain. nanocomposites LCE polysiloxane ערוכים באמצעות תוספת של חלקיקים שחורים פחמן מוליך, הן ברחבי הארי של LCE ו אל פני השטח LCE. אפוקסי המבוסס LCEs ערוך באמצעות תגובת esterification הפיך. אפוקסי המבוסס LCEs מיושר באמצעות יישום של עומס uniaxial ב גבוה (160 מעלות צלזיוס) temperatures. LCEs בציר nanocomposites LCE מאופיינים ביחס זן הפיך, נוקשות מכאניות, והזמנת גביש נוזלית באמצעות שילוב של הדמיה, מדידות עקיפות רנטגן דו ממדים, סריקת calorimetry דיפרנציאלי, וניתוח מכאני דינמי. LCEs ו nanocomposites LCE יכול להיות מגורה עם חום ו / או פוטנציאל חשמלי כדי ליצור זנים מבוקר בתקשורת תרבית תאים, ואנחנו להדגים את היישום של LCEs כמו מצעים הצורה-תגובה עבור תרבית תאים באמצעות מנגנון מחוייט.

Introduction

חומרים שיכולים להפגין מהירים, הפיכים, ושינויי צורה לתכנות רצויים עבור מספר יישומים המתעורר 1-9. סטנטים צורה מגיבה יכולים לסייע בריפוי פצעים וטיפול 7. רובוטים מלאכותיים יכולים לסייע בחיפושים או בביצוע משימות בסביבות שאינן מזיקים או לא בטוח עבור בני אדם 10. אלסטומרים המגיב צורה רצויים לשימוש בתרבות תא פעיל, שבו תאים בתרבית סביבה פעילה. 11-14 יישומים אחרים כולל אריזה, חישה, משלוח סמים.

אלסטומרים גביש נוזלי (LCE) הן רשתות פולימר עם גביש נוזלי הזמנת 15-20. LCEs מבוצעים על ידי שילוב רשת פולימר גמיש עם מולקולות גביש נוזלי המכונה mesogens. ההיענות של LCEs נגזרה צימוד סדר גביש נוזלי זנים ברשת פולימריים, וגירויים המשפיעים על סדר mesogens יהיה גןזני רשת שיעור, ולהיפך. כדי להשיג-שינויי צורה גדולות הפיכים בהעדר עומס חיצוני, mesogens חייב להיות מתואם בכיוון יחיד LCE. אתגר ומעשיות משותף בעבודה עם LCEs הוא יצירת monodomain LCEs. אתגר נוסף הוא יצירת שינויים בצורה בתגובה לגירויים מלבד חימום ישיר. ניתן לעשות זאת באמצעות תוספת של חלקיקים או צבעים לרשתות LCE 21-28.

הנה, אנחנו מדגימים הכנת LCEs monodomain ו nanocomposites LCE. ראשית, אנו מדגימים הכנת LCEs monodomain בשיטה שני שלבים דווחה לראשונה על ידי קופפר et al. 29 זה עדיין הפופולרית ביותר וידוע שיטה להכנה LCEs monodomain, אך השיג יישור אחיד בין דגימות יכול להיות מאתגר . אנו מדגימים גישה שניתן ליישם בקלות באמצעות ציוד מעבדה סטנדרטית, כולל פרטים מלאים על דגימהטיפול והכנה. לאחר מכן, אנו מראים כיצד חלקיקים שחורים מוליך פחמן ניתן להוסיף LCEs לייצר LCEs מוליך, חשמלית תגובה. אנחנו מכן להדגים את הסינתזה והיישור של LCEs מבוסס אפוקסי. חומרים אלה מפגינים אג"ח רשת חליפי ויכול להיות מתואם על ידי חימום לטמפרטורות גבוהות וליישם עומס אחיד. כל LCEs מאופיין באמצעות מדידות עקיפת הדמית מדגם מקרוסקופית, רנטגן, וניתוח מכאני דינמי. לבסוף, אנו מדגימים אחד יישומים פוטנציאליים של LCEs כמו מצעי צורה מגיבה לתרבות תא פעילה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה של מזדהות polysiloxane LCEs

  1. שלב 166.23 מ"ג של mesogen תגובתי (4-methoxyphenyl 4- (3-butenyloxy) בנזואט), 40 מ"ג של פולי (hydromethylsiloxane), ו -12.8 מ"ג crosslinker (1,4-di (10 undecenyloxybenzene) 30 עם 0.6 מ"ל של נטול מים טולואן בבקבוקון קטן (כ 13 מ"מ בקוטר 100 מ"מ אורך) מואשם בר ערבוב. מוסיפים את הפתרון של 35 מעלות צלזיוס במשך 25 דקות כדי לפזר.
  2. בבקבוקון נפרד, להכין פתרון של dichloro 1% WT (1,5-cyclooctadiene) הפלטיניום (II) זרז dichloromethane. הוסף 30 μl של זרז פתרון ריאגנטים משלב 1.1 באמצעות פיפטה, מערבבים לערבב, ויוצקים את הפתרון לתוך תבנית מחוייט (3 ס"מ X 2 ס"מ x 1 ס"מ) מלבני polytetrafluoroethylene (PTFE). מכסה את התבנית באופן רופף עם זכוכית שקופית ומכניס לתנור חימום על 60 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות תוך רעד מעת לעת כדי להסיר בועות במהלך 15 הדקות הראשונות.
  3. סור עובש מתנור חימום והומהl עם חנקן נוזלי על ידי שפיכת חנקן נוזלי לתוך מיכל קטן ויצירת קשר בתחתית התבנית PTFE עם חנקן נוזלי למשך 2 שניות.
    1. לאחר שהתערובת התקררה, להסיר אלסטומר בזהירות מהתבנית בעזרת מרית מתכת ומניחים על גבי גיליון PTFE. חתוך את הקצוות של LCE באמצעות סכין גילוח לחתוך את LCE לאורכו לשלושה חלקים בגודל שווה (כ. אורך 2.7 ס"מ ו 0.5 ס"מ רוחב).
  4. לתלות כל חתיכה עד סוף אחד מוט אופקי ולצרף 10 מהדקים (4.4 גרם) אל הקצה השני של LCE. החזק את LCE במקום באמצעות קלטת, ולהוסיף מהדקים אחד בכל פעם במרווחים של 10 דקות. לתלות את LCE למשך 7 ימים ב RT, וציין שינויים באורך ואחידות. לבטל את כל מדגם שקורע או הפסקות. הסר דגימות ולאחסן ב הסביבה.

2. הכנת ננו-LCE polysiloxane Responsive החשמלי

  1. כדי להכין nanocomposites LCE עם פחמן שחור מפוזר דרךחלק ארי של המדגם, חזור ראשון צעדי 1.1 - 1.4 לעיל. להוסיף 4.38 חלקיקים שחורים פחמן מ"ג לפתרון התגובה המכיל תגובתי mesogen, crosslinker, ו siloxane. השתמש סך של 5 מהדקים במקום 10 לטעינה.
  2. כדי להוסיף חלקיקים שחורים פחמן נוספים אל פני השטח LCE, להכין 1% w / v פתרון של חלקיקים פחמן שחור טולואן. Sonicate במשך 20 דקות כדי לפזר חלקיקים ואז לשפוך את הפיזור לתוך צלחת פטרי. לטבול את LCEs משלב 2.1 פיזור ננו-חלקיקים במשך 6 שעות.
  3. לאחר 6 שעות, להשתמש פיפטה לשאוב את התמיסה מצלחת פטרי ולאפשר אלסטומר לייבוש באוויר. לנקות בעדינות חלקיקי פחמן עודף על פני השטח באמצעות קלטת או מקלון צמר גפן.

3. הכנה הפיכה אפוקסי המבוסס LCEs

  1. מערבבים 246.15 מ"ג של 4,4'-diglycidyloxybiphenyl 31, 101 מ"ג חומצה sebacic, 71.6 מ"ג של חומצה hexadecanedioic, ו -76 מ"ג של polydi carboxydecyl הסתייםmethylsiloxane בתוך תבנית מחוייט (3 ס"מ X 2 ס"מ x 1 ס"מ) מלבני PTFE. מחממים את דגימות על ידי הצבת על פלטה חמה ב 180 מעלות צלזיוס.
    1. הוסף 11.48 מ"ג (1,5,7-triazabicyclo [4.4.0] Dec-5 פנטן) זרז ומערבבים באמצעות פינצטה מתכת מחומם מראש ל -180 מעלות צלזיוס. המשך להגיב עד שהתערובת יוצרת ג'ל, לאחר כ -20 דקות, ומערבבים מדי פעם כדי להסיר בועות שנוצר על ידי התגובה.
  2. הסר את סירת PTFE מן הפלטה החשמלית ולאפשר להתקרר RT. השתמש סכין גילוח להפריד אלסטומר מהתבנית PTFE.
  3. מניחים שני גיליונות PTFE במכבש פולימר בחום של 180 מעלות. מניחים את אלסטומר משלב 3.2 בין הסדינים PTFE ו לדחוס המדגם בעובי של 0.3 - 0.5 מ"מ. המשך חימום ב 180 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות.
  4. הסר את המדגם מגניב RT. חותכים את מדגם לחתיכות מלבני (כ רוחב אורך 2.5 ס"מ ו 0.5 ס"מ). לתלות המדגם בקצה אחד באמצעות קלטת פוליאימיד בתוך תנור חימום. צרף 12 paperclips (8.88 גר ') אל הקצה החופשי של המדגם. הגדר את הטמפרטורה של תנור החימום ל -165 ° CO / N, או במשך 12 - 16 שעות.
  5. הסר את אלסטומר מתנור החימום וציינת את השינוי באורך. מחמם את המדגם עד 80 מעלות צלזיוס על פלטה חמה להסיר מתח שיורים אז לקרר חזרה RT.

בדיקת 4. אפיון LCEs

  1. מדוד זן הפיך על ידי חימום הדגימות על פלטה חמה ל -120 מעלות צלזיוס, הדמיה עם המצלמה. הערת אורך המדגם הראשונית ב RT, אורך המדגם לאחר חימום עד 120 מעלות צלזיוס, ואת האורך לאחר קירור בחזרה RT. LCEs צריך חוזה בכ -30% ולחזור האורך הראשוני שלהם על קירור. ראה תמונות בדוגמה המוצגת באיור 1A ו -1 B.
  2. לנתח טמפרטורה בשלב מעבר מעבר זכוכית על ידי סריקת calorimetry דיפרנציאלי (DSC) על ידי חיתוך חתיכה קטנה מכל LCE וסריקה בין 0 ° C עד 150 ° C בכל שיתוף חימום /oling בשיעור של 10 ° C / min 32,33.
  3. לכמת את מידת יישור גביש נוזלי על ידי מדידות העקיפות רנטגן. מקום דגימות בתוך diffractometer רנטגן עם יכולות הדמיה 2D. 33 ראה תמונות עקיפה בדוגמה המוצגת באיור 2.
    ההערה: תמונת דיפרקציה צריכה להיות איזוטרופי, המשקפת את היישור של LCE 33. LCEs polysiloxane הוא LCEs Nematic ו מבוסס אפוקסי תערוכת שלב smectic.
  4. מדוד נוקש של LCE ושינוי אורך ורוחב באמצעות ניתוח מכאני דינמי (DMA). אורך רשום ושינויים קשיחים כפונקציה של טמפרטורה עבור LCEs ו כפונקציה של פוטנציאל חשמלי עבור nanocomposites LCE.
    1. עבור מדידות התרמו-מכני, השתמש בסכין גילוח כדי לחתוך דגימות ידני לממדים של 2 ס"מ X 0.3 ס"מ ובזהירות להדק בין מלחציים מתח. החל כוח של 1 MN כדי להסיר כל רפוי.
      1. תרמית לאזן דגימות ב follo 30 ° Cד על ידי מחזורי חימום וקירור ב -5 ° C / min. מדגם חום מ -30 מעלות צלזיוס עד 120 מעלות צלזיוס. שינויי טמפרטורה לייצר שינויים האורך והרוחב של המדגם, הנרשמות במהלך המדידה DMA. ראה איור 3 א למדידות טרמומכני של מדגם LCE.
    2. עבור מדידות אלקטרו, ידני לחתוך דגימות nanocomposite LCE לממדים של 2 ס"מ X 0.3 ס"מ ודבק חוט נחושת בקצוות מנוגדים של nanocomposites LCE באמצעות אפוקסי כסף. הדקו את nanocomposite LCE באמצעות מתח מלחציים עם 1 מתח MN.
      1. החל פוטנציאל חשמלי דרך חוטי הנחושת במתח הנע בין 0 - 60 V, בתדירות של 60 הרץ, וכן הפעלה / כיבוי משך דופק החל 0.1 שניות - 30 שניות.
      2. שינויים בצורת שיא בתגובה הפוטנציאל החשמלי. להפעיל כוח קבוע של 1 MN להסיר רפוי. השינוי בעמדה של המהדק תואם שינויים בצורה במדגם. ראה figuמחדש 3B למדידות אלקטרו של מדגם nanocomposite LCE.

5. תרבית תאים פעילים באמצעות גירוי חשמלי של ננו-LCE

  1. פנקו את משטח אחד של nanocomposites LCE תחת פלזמה חמצן למשך 30 שניות. ספין יצוק 300 μl של פתרון של קלקר טולואן (1% w / v) ב -3,300 סל"ד דקות 1 על גבי משטח פלזמה לנקות. ייבש את אלסטומר תחת ואקום במשך 12 שעות כדי להסיר טולואן, ולטפל המשטח המצופה המוקצף של nanocomposite LCE באמצעות פלזמת חמצן למשך 30 שניות.
  2. מניח nanocomposites LCE בתמיסת אתנול 70% למשך 30 דקות כדי לעקר את פני השטח.
    1. שטפו את nanocomposite LCE עם בופר פוספט ולהעביר את LCE כדי בצלחת פטרי יבש עם הצד מצופה קלקר פונה כלפי מעלה. מעיל את כל פני השטח של LCE ידי טבילה ב 5 מ"ל של פתרון מסוג I עכברוש זנב קולגן (50 מיקרוגרם / מ"ל ​​ב 0.02 N חומצה אצטית). דגירת n LCEanocomposite ב 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2 עבור 30 דקות לפחות.
  3. לבודד cardiomyocytes חדרית עכברוש בילוד להשעות במדיה ציפוי גבוה בסרום כפי שדווח בעבר 11.
    1. פלייט תאים על גבי מצעים LCE כמפורט לעיל בצפיפות של 100,000 - 600,000 תאים / 2 ס"מ. בסביבות 24 שעות מאוחר יותר, ולהעביר את תאי תקשורת תחזוקה בסרום נמוך (DMEM, 18.5% M199, 5% HS, 1% FBS ואנטיביוטיקה). אפשר cardiomyocytes לצרף מתרבים על פני השטח של LCE במשך 4 ימים.
  4. עיצוב לפברק כלים מותאמים אישית באמצעות מדפסת 3-D ושימוש סכמטי של הכלי שמוצג באיור 4 באמצעות פרוטוקול של יצרן.
    הערה: 3D מודפס כלי הוא מיכל מלבני עם הממדים החיצוניים של 60 מ"מ x 40 מ"מ x 20 מ"מ ומידות פנימי של 50 מ"מ x 30 מ"מ x 15 מ"מ. ביום שני משטחים לרוחב, ישנן שתי קבוצות של 5 חורים מ"מ משמש החדרת מוטות פחמן מוליך. לַחֲרוֹץes סביב חורה ועד הקצה העליון של מכל לאפשר הצבת פיסת פלסטיק מלבנית (מידות של 52.5 מ"מ x 12 מ"מ x 4 מ"מ) על פני הכלי להחזיק את LCE במקום בשני קצותיו. המרחק בין החורים הוא 3 מ"מ בצד אחד של ספינה, חריצים מוקם סביב חורים כפי שמוצג באיור 4. זה נועד להיות תואם את גודל מצעי LCE שתוארו לעיל. מוטה פחמן מוליך התקבל דרך ספקית מסחרית כמוצג במוסף החומרים.
    1. הכנס מוטה פחמן דרך חורה על פני הכלי וחזק במקום באמצעות דבק סיליקון כיתה רפואי. לרפא את N / הדבק O.
  5. nanocomposites LCE העברה עם cardiomyocytes לכלי 3D-מודפסים מותאמים אישית מלא תקשורת תחזוקת תרבית תאים עם מוטות פחמן מוליכים במקביל מחובר למקור חשמל. מניחים את LCE פני מוטות פחמן ולתקן על קצה אחד כדי להבטיח מגע חשמלי.
    1. הכנס חתיכת הפלסטיק מלבנית דרך חריצי ספינת 3-D להחזיק את LCE במקום בקצוות אחד או שניהם, אבל מקום הזה באופן רופף על מדגם LCE. חשמלי לעורר LCE דרך יישום של 40 וולט AC פוטנציאל חשמלי עם 5 שניות on / off זמן עבור סכום הכולל של 24 שעות.
  6. הכתם הממברנה של תאים חיים באמצעות Calcein AM כפי שתואר לעיל 11.
  7. עבור מכתים גרעינים, לכסות את התאים עם DAPI המכיל הרכבה בינונית לפני ההדמיה תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוכה. השתמש ImageJ כדי לספור את מספר תאי חיים ולקבוע את זווית יישור התאים באמצעות פונקציה בכושר הטוב ביותר.

6. תרבית תאים פעילות עם LCEs שימוש חימום ישיר

  1. חזרו על שלבים 5.1 - 5.3 לעיל באמצעות LCE טהור ללא פחמן הוסיפו חלקיקים שחורים. הליך זה גם מתואר בפירוט בפרסום הקודם. 11
  2. מעבירים את LCE עם cardiomyocytes אל ד פטריish עם תקשורת תחזוקת תרבית תאים וכן דוד resistive Kapton 0.5 "x 2". אספקת החום אל LCE ידי צורך להפעיל את החימום resistive עם כוח חימום של 12 W. מחזור לסירוגין החום עם 5 מרווחי שניות hr 24 לפחות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

LCEs Monodomain הוא צורה מגיבה בשל צימוד של קונפורמציה רשת עם סידור גביש נוזלי. LCEs חימום תוצאה היא ירידה בפרמטר כדי הגביש הנוזלי, ייצור התכווצות של רשת הפולימרים לאורך כיוון היישור העיקרי. זה דמיינו בקלות על ידי הצבת LCE על פלטה חמה, כפי שמוצג באיור 1 א ו -1 B. לחמם מן RT, חוזי LCE לאורכו של מדגם, ומעל טמפרטורת מעבר איזוטרופיים כיווץ השריר יהיה לכל היותר. הדוגמא גם תתבהר אופטי מעל טמפרטורת המעבר איזוטרופיים, תוך ערפול כמה הוא ציין גם עבור LCEs מיושר לגמרי מתחת לטמפרטורת isotropization. Nanocomposites LCE גם יפגין צורה-שינויים בתגובת חימום, כפי שמוצג באיור 1C ו 1D. nanocomposites LCE ניתן לחמם או על פלטה חמה (לא מוצג) או על ידיהחלת פוטנציאל חשמלי על פני מדגם. המדגם יתכווץ כאשר המתח מופעל. אם שינוי צורה מעט או ללא הוא ציין, זה עשוי השתקפות של יישור עניים של במאי הגביש הנוזלי ואת הסינתזה של LCE יש לחזור. כפי לשח, השבירה הכפולה של דגימות LCE טהורות יכולה להיבדק באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקוטב. דגימות מיושרות צריכות להפגין שבירה כפולה מרבית כאשר מכוונים על 45 מעלות ביחס polararizers חצה וצריכה להופיע כהה בעת אורינטציה יחד או בניצב או המנתח או המקטב.

מידע ישיר על ההזמנה גביש נוזלי ניתן להשיג באמצעות קרני ה- X עקיפה 33. כפי שניתן לראות בתרשים 2, LCE מיושר מפגין פסגות עקיפה גביש נוזלי איזוטרופי עקב יישור של mesogens. פיקס בזוויות רחבות הן בשל מרווח מולקולאריים לרוחב של מולקולה. במקרה של EPO-LCEs XY עם סידור smectic, פסגות נוספות הם נצפו בזוויות נמוכות המשקפות את מרווח שכבת smectic. בכל הדגימות, העקיפה היא איזוטרופי בשלב גביש נוזלי סדר מעל טמפרטורת isotropization. כפי שניתן לראות בתרשים 2, LCE siloxane יפגין פסגות XRD Nematic לאורך כיוון היישור בעוד אפוקסי-LCEs הוא LCEs השרשרת הראשי ולהציג זווית רחבה XRD פסגות בניצב לכיוון יישור ופסגות זווית נמוכה לאורך כיוון היישור מתאים מרווח שכבת smectic.

סריקה calorimetry דיפרנציאלי (DSC) מספק מעבר פאזה ב LCEs 32. יש סיליקון מבוסס LCEs טמפרטורת זכוכית מעבר (g T) הרבה מתחת RT ומתחת ברזולוציה של DSC שלנו, אבל לשיא ברור הוא ציין ליד 90 ° C מתאים מעבר Nematic אל איזוטרופיים. פסגה דומה הוא ציין n LCEanocomposites. במקרה של LCEs מבוסס אפוקסי שהוצג, טמפרטורת מעבר זכוכית ליד 20 ° C הוא ציין ו טמפרטורת מעבר smectic אל איזוטרופיים ליד 60 מעלות צלזיוס. חשוב לציין כי זכוכית טמפרטורת מעבר איזוטרופיים ניתן לשנות על ידי שינוי רכב אלסטומרים והקבוצה המקשרת.

ניתוח מכאני דינמי מספק מדד כמותי של שינוי צורת LCE כפונקציה של טמפרטורה, במקרה של nanocomposites LCE, כפונקציה של מתח מיושם (איור 3). החוזים המדגם עם הגדלת הטמפרטורה, עד המעבר לשלב איזוטרופיים. במקרה של מתח פעמיו חשמל, nanocomposites LCE תערוכת זן מחזורי שלב עם הפוטנציאל החשמלי.

ניסויים בתרביות תאים פעילים מבוצעים באמצעות כלי מודפסים מותאמים אישית, 3-D (איור 4). דרך החורים לאפשר מיקום של מוטות פחמן מוליך, ואת הכלי מתמלא תקשורת תרבית תאים. דוגמא מצורפת תא על משטח nanocomposite LCE מוצגת באיור 5 למדגם הלא מגורית לאחר 3 ימים של culturing. Cardiomyocytes להראות מצורף כדאיות טובות.

איור 1
איור 1. צורה-תגובת LCEs ו LCE Nanocomposites. החוזה LCEs ומוארכים הפיך כשמחממים אותו מן RT (א) אל מעל טמפרטורת המעבר Nematic ל-איזוטרופיים, בערך 80 מעלות צלזיוס (B). Nanocomposites LCE חוזה על פי בקשת פוטנציאל החשמלי (C ו- D). המתח שיושם הוא אות 40 וולט AC. אנא לחץ כאן כדי להציג largגרסה אה של נתון זה.

איור 2
איור 2. 2-D קרני ה- X עקיפה מן LCEs מיושר. מסודרים LCEs מפגינים דפוסי עקיפה איזוטרופי עקב יישור גביש נוזלי. כיוון היישור הוא בכיוון האנכי כפי שצוין על ידי חץ לבן במסגרות (B ו- D). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. ניתוח מכני דינמי (DMA) של הצורה-והיענות LCEs. (א) מדידות טרמומכני של LCE siloxane במשך 4 מחזורים חימום וקירור. הצמצום המרבי הוא 35% לאורך המדגם. (B) זן אלקטרו נמדד בתוך nanocomposite LCE עם פוטנציאל חשמלי 40 וולט AC להפעיל ולכבות כל 15 שניות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. סכמטי של כלי מותאם אישית עבור תרבית תאים פעילות. דרך חורים לאפשר החדרה מוטה פחמן מוליך, אשר מובטחים וחתומות בקצוות באמצעות דבק סיליקון, ביו-כיתה. שתי הצלחות משמשות כדי לאבטח את LCE על קצוות אחד או שניהם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. ניתוח קרינה של cardiomyocytes על משטח nanocomposite LCE. תאי מגואלות Calcein בבוקר, תאי חיים מופיעים ירוקים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי קרן קריירה הלאומי (CBET-1,336,073 ל RV), קרן המחקר נפט ACS (52,345-DN17 כדי RV), איגוד הלב האמריקני (BGIA כדי JGJ), הקרן הלאומית למדע (קריירה CBET-1,055,942 ל JGJ), המכונים הלאומיים לבריאות / הלאומי ללב, ריאות ודם (1R21HL110330 כדי JGJ), לואיס אפרסקים אוון החולים לילדים טקסס.

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

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. , Oxford University Press. Oxford, England. (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

Bioengineering גיליון 108 גבישים נוזליים פולימרים אלסטומרים גירויים Responsive צורה- Responsive תרבית תאים Biomaterials
הכנת Monodomain Liquid Crystal אלסטומרים גביש נוזלי Nanocomposites אלסטומר
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter