Получение Monodomain жидкокристаллический эластомеров и жидкокристаллический эластомерных нанокомпозитов
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 являются формы реагирующих материалов с полностью обратимое изменение формы и потенциальных применений в медицине, тканевой инженерии, искусственных мышц и как мягкие роботы. Здесь мы демонстрируем подготовку формы реагирующих жидкокристаллических эластомеров (LCEs) и LCE нанокомпозитов наряду с характеристикой их формы-отзывчивость, механических свойств и микроструктуры. Два типа LCEs – полисилоксановых основе и на основе эпоксидной смолы – синтезируются, выровнены, и характеризуют. Полисилоксановые основе LCEs получают через два этапа сшивания, второй при нагрузке, в результате чего monodomain LCEs. Полисилоксан LCE нанокомпозиты получают путем добавления ща сажа наночастиц, как по всему объему в LCE и к поверхности LCE. Эпоксидной основе LCEs получают путем обратимой реакции этерификации. Эпоксидной основе LCEs выровнены посредством применения одноосного нагрузки при повышенной (160 ° C) Temperatures. Унифицированные LCEs и LCE нанокомпозиты характеризуются относительно обратимой деформации, механической жесткостью и кристаллической упорядоченности жидкого используя комбинацию изображений, двумерных измерений рентгеновской дифракции, дифференциальной сканирующей калориметрии и динамического механического анализа. LCEs и LCE нанокомпозиты можно стимулировать с теплом и / или электрического потенциала к контролируемым получения штаммов в среде для культивирования клеток, и мы продемонстрировать применение LCEs как форма реагирующих субстратов для культивирования клеток с использованием заказных аппарат.
Introduction
Материалы, которые могут проявлять быструю, обратимые и программируемые изменения формы желательны для ряда новых приложений 1-9. Форма проблематику стенты могут оказать помощь в исцелении и лечения 7 раны. Искусственные роботы могут помочь в разведке или в выполнении задач в условиях, которые вредны или небезопасным для человека 10. Форма реагирующих эластомеры являются желательными для использования в активной клеточной культуре, в которой клетки культивируют в среде активного. 11-14 Другие приложения включают упаковывать, зондирование и доставку лекарственного средства.
Жидкокристаллические эластомеры (LCE) являются полимерные сетки с жидкокристаллический заказе 15-20. LCEs изготавливаются путем объединения гибкую полимерную сетку с молекул жидких кристаллов, известных как мезогенов. Отзывчивость LCEs происходит от сочетания жидкой того кристаллической чтобы штаммов в полимерную сеть, и стимулов, которые влияют на порядок мезогенов будет генсетевые штаммы ставку, и наоборот. Для того чтобы достичь больших и обратимые Shape-изменения в отсутствии внешней нагрузки, то мезогены должны быть выровнены в одном направлении в LCE. Общей задачей практической работы с LCEs генерирует monodomain LCEs. Еще одной проблемой является порождающим изменения формы в ответ на раздражители, кроме прямого нагрева. Это может быть сделано путем добавления наночастиц или красителей к LCE сетей 21-28.
Здесь мы демонстрируем подготовку monodomain LCEs и LCE нанокомпозитов. Во-первых, мы демонстрируем подготовку monodomain LCEs использованием метода двухэтапный впервые сообщил Купферу др. 29 Это по-прежнему самый популярный и известный способ получения monodomain LCEs, но для получения однородной выравнивание и согласованности между образцами может быть сложным , Мы демонстрируют подход, который может быть легко реализована с помощью стандартного лабораторного оборудования, в том числе более подробной информации о выборкеОбработка и подготовка. Далее, мы покажем, как сажа наночастицы могут быть добавлены к LCEs производить проводящие, электрически реагирующие LCEs. Мы тогда продемонстрировать синтез и выравнивание эпоксидной основе LCEs. Эти материалы демонстрируют сменные сетевые связи и могут быть выровнены при нагревании до повышенных температур и применяя равномерную нагрузку. Все LCEs характеризуются через макроскопического образца с изображениями, дифракционных измерений рентгеновских и динамического механического анализа. Наконец, мы демонстрируем один потенциальное применение LCEs как форма реагирующих субстратов для активного культуры клеток.
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
Эта работа была поддержана Национальным карьеры Foundation (CBET-1336073 на колесах), Фонд Исследовательского ACS Petroleum (52345-DN17 до колесах), Американской ассоциации сердца (BGIA чтобы JGJ), Национальный научный фонд (КАРЬЕРА CBET-1055942 для JGJ), Национальные институты здравоохранения / Национальный институт сердца, легких и крови институт (1R21HL110330 чтобы JGJ), Луи и персики Оуэна и Texas детской больницы.
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 |
References
- Nikkhah, M., Edalat, F., Manoucheri, S., Khademhosseini, A. Engineering microscale topographies to control the cell-substrate interface. Biomaterials. 33 (21), 5230-5246 (2012).
- Mather, P. T., Luo, X., Rousseau, I. A. Shape Memory Polymer Research. Annu. Rev. Mater. Res. 39 (1), 445-471 (2009).
- 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).
- 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).
- Chen, Q., Liang, S., Thouas, G. A. Elastomeric biomaterials for tissue engineering. Prog. Polym. Sci. 38 (3-4), 584-671 (2013).
- Mano, J. F. Stimuli-Responsive Polymeric Systems for Biomedical Applications. Adv. Eng. Mater. 10 (6), 515-527 (2008).
- Ratna, D., Karger-Kocsis, J. Recent advances in shape memory polymers and composites: a review. J. Mater. Sci. 43 (1), 254-269 (2008).
- Biggs, J., Danielmeier, K., et al. Electroactive Polymers: Developments of and Perspectives for Dielectric Elastomers. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (36), 9409-9421 (2013).
- 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).
- Shepherd, R. F., Ilievski, F., et al. Multigait soft robot. Proc. Natl. Acad. Sci. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Davis, K. A., Luo, X., Mather, P. T., Henderson, J. H. Shape Memory Polymers for Active Cell Culture. J Vis Exp. , e2903 (2011).
- Warner, M., Terentjev, E. M. . Liquid Crystal Elastomers. , (2003).
- Urayama, K. Selected Issues in Liquid Crystal Elastomers and Gels. Macromolecules. 40 (7), 2277-2288 (2007).
- 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).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
- Jiang, H., Li, C., Huang, X. Actuators based on liquid crystalline elastomer materials. Nanoscale. 5 (12), 5225-5240 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Marshall, J. E., Terentjev, E. M. Photo-sensitivity of dye-doped liquid crystal elastomers. Soft Matter. 9 (35), 8547-8551 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Küpfer, J., Finkelmann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromol Chem Rapid Commun. 12 (12), 717-726 (1991).
- 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).
- 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).
- 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).
- Agrawal, A., Chipara, A. C., et al. Dynamic self-stiffening in liquid crystal elastomers. Nat Commun. 4, 1739 (2013).
- Sharma, A., Neshat, A., et al. Biodegradable and Porous Liquid Crystal Elastomer Scaffolds for Spatial Cell Cultures. Macromol. Biosci. 15 (2), 200-214 (2015).
- 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).
- 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).
- Liu, D., Broer, D. J. Light controlled friction at a liquid crystal polymer coating with switchable patterning. Soft Matter. 10 (40), 7952-7958 (2014).
