Monodomain लिक्विड क्रिस्टल Elastomers और लिक्विड क्रिस्टल Elastomer nanocomposites की तैयारी
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 पूरी तरह से प्रतिवर्ती आकार परिवर्तन और चिकित्सा के क्षेत्र में संभावित अनुप्रयोगों, ऊतक इंजीनियरिंग, कृत्रिम मांसपेशियों, और मुलायम के रूप में रोबोट के साथ आकार-संवेदनशील सामग्री रहे हैं। यहाँ, हम उनके आकार-जवाबदेही के लक्षण वर्णन, यांत्रिक गुणों, और microstructure के साथ साथ आकार उत्तरदायी लिक्विड क्रिस्टल elastomers (LCEs) और एलसीई nanocomposites की तैयारी प्रदर्शित करता है। LCEs के दो प्रकार – polysiloxane आधारित और epoxy आधारित – संश्लेषित गठबंधन किया है, और विशेषता है। Polysiloxane आधारित LCEs monodomain LCEs में जिसके परिणामस्वरूप दो crosslinking कदम, एक आवेदन लोड के तहत दूसरे के माध्यम से तैयार कर रहे हैं। Polysiloxane एलसीई nanocomposites, प्रवाहकीय कार्बन ब्लैक नैनोकणों के अलावा के माध्यम से तैयार किया जाता है दोनों एलसीई के थोक भर में और एलसीई सतह के लिए। Epoxy आधारित LCEs एक प्रतिवर्ती esterification प्रतिक्रिया के माध्यम से तैयार कर रहे हैं। Epoxy आधारित LCEs ऊंचा (160 डिग्री सेल्सियस) टी में एक अक्षीय भार के आवेदन के माध्यम से गठबंधन कर रहे हैंemperatures। गठबंधन LCEs और एलसीई nanocomposites इमेजिंग, दो आयामी एक्स-रे विवर्तन माप, अंतर स्कैनिंग उष्मामिति, और गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के संयोजन का उपयोग प्रतिवर्ती तनाव, यांत्रिक कठोरता, और लिक्विड क्रिस्टल आदेश देने के संबंध में विशेषता है। LCEs और एलसीई nanocomposites गर्मी और / या विद्युत क्षमता के साथ प्रेरित किया जा सकता है controllably सेल संस्कृति मीडिया में उपभेदों उत्पन्न करने के लिए, और हम एक कस्टम बनाया तंत्र का उपयोग करते हुए सेल संस्कृति के लिए आकार उत्तरदायी substrates के रूप में LCEs के आवेदन प्रदर्शित करता है।
Introduction
सामग्री है कि, तेजी से प्रतिवर्ती, और प्रोग्राम आकार में परिवर्तन प्रदर्शन कर सकते हैं उभरते अनुप्रयोगों 1-9 की संख्या के लिए वांछित हैं। आकार उत्तरदायी स्टेंट घाव भरने और उपचार 7 के साथ सहायता कर सकते हैं। कृत्रिम रोबोट अन्वेषण में या वातावरण है कि हानिकारक या मनुष्यों 10 के लिए असुरक्षित हैं कार्यों में बाहर ले जाने में सहायता कर सकते हैं। आकार उत्तरदायी elastomers सक्रिय सेल संस्कृति है, जो कोशिकाओं में एक सक्रिय माहौल में सुसंस्कृत हैं में उपयोग के लिए वांछित हैं। 11-14 अन्य अनुप्रयोगों पैकेजिंग, संवेदन, और दवा वितरण शामिल हैं।
लिक्विड क्रिस्टल elastomers (एलसीई) लिक्विड क्रिस्टल के आदेश देने के साथ 15-20 बहुलक नेटवर्क रहे हैं। LCEs लिक्विड क्रिस्टल mesogens रूप में जाना जाता अणुओं के साथ एक लचीला बहुलक नेटवर्क संयोजन से बनते हैं। LCEs की जवाबदेही बहुलक नेटवर्क में तनाव, और उत्तेजनाओं कि mesogens के आदेश को प्रभावित करने के लिए लिक्विड क्रिस्टल आदेश के युग्मन से प्राप्त होता है जीन होगादर नेटवर्क में तनाव, और इसके विपरीत। आदेश में एक बाहरी लोड के अभाव में बड़े और प्रतिवर्ती आकार-परिवर्तन को प्राप्त करने के लिए, mesogens एलसीई में एक ही दिशा में गठबंधन किया जाना चाहिए। LCEs के साथ काम करने में एक आम व्यावहारिक चुनौती LCEs monodomain पैदा कर रहा है। एक और चुनौती के जवाब में आकार में परिवर्तन पैदा कर रहा है प्रत्यक्ष हीटिंग के अलावा अन्य उत्तेजनाओं को। इस एलसीई नेटवर्क 21-28 नैनोकणों या रंगों के अलावा के माध्यम से किया जा सकता है।
यहाँ, हम monodomain LCEs और एलसीई nanocomposites की तैयारी प्रदर्शित करता है। सबसे पहले, हम दो कदम विधि पहले कुप्फ़ेर एट अल द्वारा रिपोर्ट का उपयोग कर monodomain LCEs की तैयारी प्रदर्शित करता है। यह अभी भी 29 नमूनों के बीच monodomain LCEs तैयारी है, लेकिन प्राप्त करने वर्दी संरेखण और स्थिरता चुनौतीपूर्ण हो सकता है के लिए सबसे लोकप्रिय और प्रसिद्ध विधि है । हम एक दृष्टिकोण आसानी से मानक प्रयोगशाला उपकरणों का उपयोग कर लागू किया जा सकता है कि, नमूने पर पूर्ण विवरण सहित प्रदर्शितसे निपटने की तैयारी। अगला, हम बताएंगे कि कैसे प्रवाहकीय कार्बन ब्लैक नैनोकणों LCEs करने के लिए जोड़ा जा सकता है प्रवाहकीय, विद्युत उत्पादन करने के लिए उत्तरदायी LCEs। हम तो संश्लेषण और epoxy आधारित LCEs के संरेखण प्रदर्शित करता है। इन सामग्रियों विनिमेय नेटवर्क बांड प्रदर्शन और ऊंचा तापमान को गर्म करने और एक समान लोड लगाने से गठबंधन किया जा सकता है। सभी LCEs स्थूल नमूना इमेजिंग, एक्स-रे विवर्तन माप, और गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के माध्यम से विशेषता है। अंत में, हम सक्रिय सेल संस्कृति के लिए आकार उत्तरदायी substrates के रूप में LCEs में से एक संभावित आवेदन प्रदर्शित करता है।
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
यह काम राष्ट्रीय कैरियर फाउंडेशन (आर.वी. को CBET-1,336,073), एसीएस पेट्रोलियम रिसर्च फंड (आर वी करने के लिए 52345-DN17), अमेरिकन हार्ट एसोसिएशन (JGJ को BGIA), राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (कैरियर द्वारा समर्थित किया गया CBET-1,055,942 करने के लिए JGJ), स्वास्थ्य / राष्ट्रीय हृदय, फेफड़े और रक्त संस्थान (JGJ को 1R21HL110330), लुई और पीचिस ओवेन और टेक्सास बच्चों के अस्पताल के राष्ट्रीय संस्थानों।
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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