Utarbeidelse av monodomene flytende krystall elastomerer og flytende krystall Elastomer Nanocomposites

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 er form responsive materialer med fullt reversible form for bevegelse og potensielle anvendelser innen medisin, tissue engineering, kunstige muskler, og som myke roboter. Her viser vi til fremstilling av form-responsive flytende krystall elastomerer (LCEs) og LCE nanokompositter sammen med karakteriseringen av deres form-respons, mekaniske egenskaper og mikrostruktur. To typer av LCEs – polysiloksan-baserte og epoksybaserte – er syntetisert, justert, og karakterisert. Polysiloksan-baserte LCEs fremstilles gjennom to kryssbindingstrinn, den andre under en påført belastning, noe som resulterer i monodomene LCEs. Polysiloksan LCE nanokompositter fremstilles ved tilsetning av ledende sot nanopartikler, både gjennom hoveddelen av LCE og til den LCE overflaten. Epoxy-baserte LCEs er utarbeidet gjennom en reversibel forestringsreaksjon. Epoksybaserte LCEs er justert ved anvendelse av en uniaksial belastning ved høyere (160 ° C) temperatures. Innrettede LCEs og LCE nanokompositter er karakterisert med hensyn til reversibel påkjenning, mekanisk stivhet, og flytende krystall bestilling ved hjelp av en kombinasjon av avbildning, to-dimensjonale røntgendiffraksjons-målinger, differensiell scanning kalorimetri, og dynamisk mekanisk analyse. LCEs og LCE nanocomposites kan stimuleres med varme og / eller elektrisk potensial for styr generere stammer i cellekultur media, og vi demonstrere anvendelsen av LCEs som shape-responsive substrater for cellekultur ved hjelp av en spesiallaget apparat.

Introduction

Materialer som kan fremvise etapper, reversible, og programmerbare formen endringer er ønskelig for en rekke nye applikasjoner ^1-9. Shape-responsive stenter kan bistå med sårtilheling og behandling ^7. Kunstige roboter kan hjelpe til med leting eller i å utføre oppgaver i miljøer som er skadelige eller utrygge for mennesker ^10. Shape-responsive elastomerer er ønskelig for bruk i aktiv cellekultur, der cellene dyrkes i et aktivt miljø. ^11-14 Andre bruksområder er emballasje, sensing, og levering av legemidler.

Flytende krystall elastomerer (LCE) er polymer nettverk med flytende krystall bestiller ^15-20. LCEs er laget ved å kombinere en fleksibel polymernettverk med flytende krystallmolekyler er kjent som mesogener. Responsen til LCEs er avledet fra koplingen av flytende krystall for å belastninger i det polymere nettverk, og stimuli som påvirker bestilling av mesogener vil generente nettverks stammer, og vice versa. For å oppnå store og reversible form-endringene i fravær av en ytre belastning, må mesogener være innrettet i en enkelt retning i LCE. En vanlig praktisk utfordring i å jobbe med LCEs genererer monodomene LCEs. En annen utfordring er å generere formen endringer i respons på stimuli annet enn direkte oppvarming. Dette kan gjøres gjennom tilførsel av nanopartikler eller fargestoffer for å LCE nettverk ^21-28.

Her viser vi utarbeidelse av monodomene LCEs og LCE nanocomposites. Først viser vi utarbeidelse av monodomene LCEs ved hjelp av to-trinns metoden først rapportert av Kupfer et al. ²⁹ Dette er fortsatt den mest populære og kjente metode for fremstilling av monodomene LCEs, men å oppnå jevn justering og konsistens mellom prøvene kan være utfordrende . Vi viser en tilnærming som lett kan implementeres ved hjelp av standard laboratorieutstyr, inkludert full informasjon om prøvetakinghåndtering og tilberedning. Deretter viser vi hvordan ledende carbon black nanopartikler kan legges til LCEs å produsere ledende, elektrisk responsive LCEs. Vi deretter demonstrere syntese og justering av epoxy-basert LCEs. Disse materialer oppviser utbyttbare nettverksbindinger og kan bli justert ved oppvarming til forhøyede temperaturer og å påføre en jevn belastning. Alle LCEs kjennetegnes gjennom makroskopisk prøven bildebehandling, Røntgendiffraksjonsstudier målinger og dynamisk mekanisk analyse. Til slutt viser vi en potensiell anvendelse av LCEs som shape-responsive substrater for aktiv cellekultur.

Protocol

1. Syntese av Aligned Polysiloksan LCEs Kombiner 166.23 mg reaktiv mesogen (4-metoksyfenyl 4- (3-butenyloksy) benzoat), 40 mg av poly (hydromethylsiloxane), og 12,8 mg tverrbindingsmiddel (1,4-di (10-undecenyloxybenzene) 30 med 0,6 ml vannfri toluen i en liten ampulle (ca. 13 mm i diameter og 100 mm lengde) som belastes med en rørestav. Omrør løsningen ved 35 ° C i 25 min for å oppløse. I en separat ampulle, tilberede en oppløsning av 1 vekt% diklor (1,5-cyklooktadien) -platinum (I…

Representative Results

Monodomene LCEs er form-responsive grunn av kobling av nettverk konformasjon med flytende krystall bestilling. Varme LCEs resulterer i en reduksjon i den flytende krystall for parameteren, som produserer en sammentrekning av det polymere nettverk langs den primære justeringsretningen. Dette blir lett visualisert ved å plassere en LCE på en kokeplate, som vist i figur 1A og 1B. Ved oppvarming fra romtemperatur til LCE kontraktene langs…

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