Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Mikroflödessystem beredning av flytande kristallin Elastomer ställdon

Published: May 20, 2018 doi: 10.3791/57715
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1
1Department of Organic Chemistry, Johannes Gutenberg University, 2CNRS, ICS UPR 22, Université de Strasbourg
* These authors contributed equally

Summary

Denna artikel beskriver mikroflödessystem processen och parametrar för att förbereda påverkande partiklar från liquid crystalline elastomerer. Denna process gör att beredningen ansätta partiklar och variationen i deras storlek och form (från oblate till starkt prolate, core-skal och Janus morfologier) samt omfattningen av aktivering.

Abstract

Denna uppsats fokuserar på mikroflödessystem processen (och dess parametrar) att förbereda påverkande partiklar från liquid crystalline elastomerer. Förberedelsen består vanligen i bildandet av droppar som innehåller låg molar massa flytande kristaller vid förhöjda temperaturer. Därefter är dessa partikel prekursorer orienterade i fältet flöde av kapillären och stelnat genom en crosslinking polymerisation, som producerar de slutliga påverkande partiklarna. Optimering av processen är nödvändigt att få påverkande partiklarna och ordentlig variationen av processparametrar (temperatur och flöde klassar) och tillåter variationer av storlek och form (från oblate till starkt prolate morfologier) samt omfattningen av aktivering. Dessutom är det möjligt att variera typen av aktivering från töjning sammandragning beroende på direktör profil förmås att droppar under flödet i kapillären, som igen beror på mikroflödessystem processen och dess parametrar. Partiklar av mer komplexa former, som core-shell strukturer eller Janus partiklar, kan dessutom förberedas genom att justera inställningarna. Av variationen i den kemiska strukturen och funktionsläget av crosslinking (stelning) av den flytande kristallin elastomer är det också möjligt att förbereda påverkande partiklar utlöses av värme eller UV-vis bestrålning.

Introduction

Mikroflödessystem synteser har blivit en välkänd metod för tillverkning av flytande kristallin elastomer (LCE) ställdon i sista par år1,2,3. Detta tillvägagångssätt inte bara möjliggör produktion av ett stort antal väl påverkande partiklar men också tillåter tillverkning av former och morfologier som inte är tillgängliga av andra metoder. Eftersom LCE manöverdon finns lovande kandidater för ett program som konstgjorda muskler i mikro-robotics, är nya metoder att syntetisera sådana partiklar av stor betydelse för denna framtida teknik4.

I LCEs bifogas mesogens hos en flytande kristall (LC) polymern kedjar av en elastomer nätverk5,6,7,8. Sammanlänkningen av mesogens till polymer kedjan kan därmed ske i form av en sidokedja, en main-kedja eller en kombinerad LC-polymer9,10,11. Avståndet mellan de crosslinking punkterna bör vara tillräckligt långt för att tillåta en gratis omorientering av polymer kedjan mellan (i själva verket, detta är sant för alla elastomer, vilket skiljer dem från ”härdplast”). Därmed, kan crosslinking vara permanent eller reversibla på grund av starka icke-kovalenta interaktioner12,13,14. Denna typ av material kombinerar egenskaperna av båda, Anisotrop beteendet hos en flytande kristall med en elastomer entropisk elasticitet. I dess flytande kristallin fas temperaturområde anta polymerkedjorna en (mer eller mindre) sträckt konformation orsakas av anisotropin av flytande kristallin fas, som kvantifieras i parametern nematic ordning. När provet förs över nematic till-isotropiskt fas övergångstemperaturen, anisotropin försvinner och nätverket slappnar till energiskt gynnade slumpmässiga spolen konformation. Detta leder till en makroskopisk deformation och därmed aktivering5,15. Förutom uppvärmning av provet, kan detta arrangera gradvis övergången också induceras av andra stimuli som ljus eller lösningsmedel diffusion i LCEs16,17,18,19.

För att få en stark deformering, är det nödvändigt att provet antingen bildar en monodomain eller funktioner minst en rekommenderad orientering enda domänens styrelse under crosslinking steg20. För produktion av LCE filmer uppnås detta ofta genom sträckningen av en före polymeriserat prov, via orienteringen domäner i ett elektriska eller magnetiska fält, med hjälp av foto-justering lager eller via 3D-printing21 ,22,23,24,25,26.

En annan strategi är kontinuerlig utarbetandet av LCE partiklar med kapillär-baserade mikroflödessystem droplet generatorer. Flytande kristallina monomer droppar är spridda i en mycket trögflytande kontinuerlig fas, som flödar runt droppar och tillämpar en skjuvning på droppar yta. Därför observeras en cirkulation inuti monomer droplet-programmet, vilket orsakar en övergripande anpassning av flytande kristallin fas27. Därmed, har omfattningen av de skeva priser agerar på dropparna en stark påverkan på både droplet-programmets form och storlek, samt på orienteringen för fältet flytande kristallin direktör. Dessa väl orienterad droppar kan sedan vara polymeriseras ytterligare nedströms i ultrakalla setup. Beredning av ställdon med varierande former (t.ex., partiklar och fibrer) och mer komplexa morfologier som core-shell och Janus partiklar är således möjliga28,29,30,31. Det är även möjligt att förbereda oblate partiklar, som sträcker sig längs sin symmetri-axeln och mycket prolate, fiber-liknande partiklar som krympa på fas övergången. Båda typerna av partiklar kan göras med samma typ av mikrofabricerade setup, bara genom att variera de shear rate27. Här presenterar vi protokollet av hur man producerar sådana LCE ställdon av olika morfologier i egentillverkade kapillär-baserade mikroflödessystem enheter.

Förutom effekten av mesogen justering i LCE droppar och tillgängligheten av polymerer med varierande former har ultrakalla metoder ytterligare fördelar. Jämfört med andra partikel fabrication metoder som nederbörd i en icke-lösningsmedel eller suspension polymerisation32 (vilket leder till partiklar med en bred storlek-distribution), monodisperse partiklar (variationskoefficienten partikelstorlek är < 5%) kan syntetiseras använda mikrofluidik33,34. Det är dessutom lätt att bryta sfär symmetri droppar av ett flöde. Stora partiklar med en cylindrisk symmetri finns alltså tillgänglig, som behövs för ställdon. Detta skiljer sig från LC-partiklar av suspension polymerisation32. Dessutom partikelstorlek är väl justerbar av mikrofluidik i intervallet från flera mikrometer till hundratals µm, och tillsatser kan lätt föras in partiklarna eller på deras yta. Det är därför mikroflödessystem partikel preparatet används ofta i ämnen som drogen leverans35 eller tillverkning av kosmetika36.

De mikroflödessystem installationerna används i denna artikel infördes genom Serra o.a. 33 , 37 , 38 . Dessa tillverkas själv och består av högpresterande vätskekromatografi (HPLC) polytetrafluoretylen (PTFE) rör och t-korsningar, samt smält kiseldioxid kapillärer som ger de enda faserna. Således setup kan lätt ändras, och inre delar kan enkelt bytas ut eftersom de är kommersiellt tillgängliga. En photoinitiator läggs till monomer blandningarna, som möjliggör användning av en lämplig ljuskälla att inducera polymerisation av den droppar on-the-fly, efter att de lämnat kapillären. Bestrålning bortsett från kapillärerna är nödvändiga för att förhindra en igensättning av installationen. Andra typer av polymerisation bara starta polymerisering efter droplet-programmet har lämnat kapillären (t.ex., med initiativtagarna baserat på redox processer)39. Dock på grund av snabbhet av foto-inducerad crosslinking polymerisation och möjlighet att fjärrstyras, är photoinitiation den mest fördelaktiga.

Eftersom den LCE monomer blandningen är kristallin i rumstemperatur, krävs en noggrann temperaturkontroll av hela mikroflödessystem installationen. Därför placeras delen av installationen där droplet bildandet sker i ett vattenbad. Här bildas droppar vid höga temperaturer i isotropiskt melten av blandningen. För orientering, måste droppar kylas till flytande kristallin fas. Därför placeras polymerisation röret på en värmeplatta som är satt till det lägre temperatur spänner av LC-fasen (figur 1).

Här beskriver vi en flexibel och enkel metod för tillverkning av LCE manöverdon i ett flöde. Detta protokoll innehåller de steg som krävs för att bygga den mikroflödessystem setup för syntesen av enstaka partiklar och Janus samt core-shell partiklar i några minuter. Därefter beskriver vi hur du kör en syntes och Visa typiska resultatet samt påverkande partiklarna egenskaper. Slutligen diskuterar vi fördelarna med denna metod och varför vi tror att det kan leda till framsteg inom LCE ställdon.

Protocol

1. Sammanfattning av enda ansättes LCE partiklar

  1. Montera enheten
    Obs: Alla material som används för mikroflödessystem inställningar är HPLC varu- och kommersiellt tillgängliga.
    1. Utrusta en glasskål vatten bad [diameter (D): 190 mm, anslutningar: två 29/24 slipad lederna flänsmonterade] med två septa. Ta upp båda septa med en syl att passa ett rör med en ytterdiameter (OD) på 1/16 tum genom öppningen hålet.
    2. Bifoga en passande för 1/16 tum OD slangar och den motsvarande bussningen till slutet av en PTFE tube (rör 1.1; OD: 1/16 tum, innerdiameter (ID): 0.17 mm, längd (L): 5 cm) och sticka spets (ca. 1 cm) av en polyimid-belagd kvarts kapillär (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L: 7 cm) in i den.
    3. Skruva fast röret till en av den motsättande armarna på en etereterketonplast (PEEK) t-korsning för 1/16 tum OD rör, som är monterad på ett litet metall bord. Nu, kapillären ska sticka ut några centemeters ur en t-korsning.
      Obs: PTFE rör skärs bäst med hjälp av en Röravskärare. För kapillärerna är en köttyxa sten bäst att använda.
    4. Bifoga en lämplig montering och bleck till slutet av en andra PTFE tube (rör 1,2. OD: 1/16 tum, ID: 0.75 mm), som är tillräckligt lång för att nå en sprutpump utanför vattenbadet och skruva på den laterala armen av den t-korsningen.
    5. Sticka en tredje PTFE tube (rör 1.3; OD: 1/16 tum, ID: 0.17 mm) genom en av septa. Tube 1.3 bör vara tillräckligt lång för att ansluta en andra sprutpumpen med röret 1.1 inuti vattenbadet. Lägg till två kvinnliga luer lås för 1/16 tum OD slangar i reservdelar slutet av rör 1.1 och 1.3, respektive.
    6. Förbereda en fjärde PTFE-röret (polymerisation tube 1.4; OD: 1/16 tum, ID: 0.75 mm) med en passande plus nedre och stick den genom andra septum. Tube 1.4 bör vara tillräckligt lång för att lämna vattenbadet och passera en precision värmeplattan. Anslut röret 1.4 via montering på återstående armen av den t-korsningen och placera slutet av glaset kapillär inuti röret.
    7. Sätta vattenbadet på en värmeplatta som utrustade med en termometer, Använd tejp fixar tube 1.4 ovanpå precision värmeplattan och fäst en 5 mL injektionsflaska av glas till slutet av röret 1.4. Anslut änden av röret 1.2 till en spruta fylld med kontinuerlig fas (silikonolja; viskositet: 1.000 m2/s), Anslut röret 1.3 till en spruta fylld med hydrauloljan för fasen monomer (silikonolja; viskositet: 100 m2/s) och Anslut båda sprutor i en sprutpump.
      Obs: För att ansluta rören till sprutorna, barb-till-kvinna-luer-lock kopplingar för användning med 3/32 tum ID rör är bäst att använda.
    8. Installera ett stereomikroskop med fokus sätts på kapillärens tips till möjliggöra observation av droplet bildandet och montera en UV-ljus källa (t.ex., en 500 W-kvicksilverdunstlampa) med lätta konen fokuserat på tube 1.4.
  2. Beredning av monomer blandningen
    1. För att förbereda den monomer blandning40, tillsätt 200 mg (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) bensoat till en 50 mL päronformad kolv.
    2. Lägg till 7,2 mg 1,6-hexanediol tarmkanalen (10 mol %) och 6,2 mg ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (photoinitiator, 3 w %) i kolven. Lös upp blandningen i ca 1 mL diklormetan.
      Obs: Start från steg 1.2.2., alla åtgärder ska utföras under UV ljus-fria förhållanden (t.ex., under gult ljus).
    3. Ta bort lösningsmedlet helt under vakuum på 313 K och smälta den kvarvarande fast på 383 K i oljebad.
    4. Förbereda en spruta med en Hulling-till-kvinna-luer-lock anslutning för användning med 3/32 tum ID slang och bifoga en PTFE tube (rör 1,5; OD: 1/8 tum, ID: 1.65 mm) via en anslutande röret (OD: 1/16 tum, ID: 0.75 mm). Rita upp monomer blandningen in i röret 1,5 med hjälp av sprutan.
      Obs: Mängden monomer bör inte vara mindre än 70 mg. annars, blir det mycket svårt att dra tillräckligt monomer blandning i tube 1,5. Protokollet kan pausas här. I så fall förvara tuben i kylskåp.
  3. Beredning av partiklarna
    1. Bifoga en manlig luerlock för 1/8 tum OD slangar till båda ändarna av röret 1,5 som innehåller den monomer. Därefter Anslut båda ändarna av röret 1.5 med kvinnliga luer lås på ändarna av rören 1.1 och 1.3.
      Obs: Rören bör sköljas med vätskor som tillhandahålls av sprutpumpar före syntesen.
    2. Ställ in vattenbadets temperatur till 363 K och Ställ in precisionen plattans temperatur till 338 K.
    3. Kontrollera kapillärens tip är i centrera av polymerisation röret 1,5 och inte röra väggen.
      Obs: De temperaturer som ges här är optimerade för denna monomer blandning. I allmänhet vattenbadets temperatur bör vara tillräckligt hög för att smälta monomer blandningen och värme plattans temperatur bör vara i temperaturintervallet kristallina vätskefasen.
    4. Efter monomer blandningen är smält, ange flödet klassar av den kontinuerliga fasen (Qc) till ett värde mellan 1,5 och 2,0 mL/h och välja flöde klassar nyckeltal Qc/qd (Qd = flödet klassar av fasen hydraulisk olja/monomer) mellan 20 och 200.
      Obs: För flöden Qc = 1.75 mL/h och Qd = 0,35 mL/h, väl påverkande partiklar med en D 270 µm iakttas, t.ex.
    5. Efter droplet bildandet börjar, vänta tills droppar har alla samma storlek innan du slår på UV-ljuset. För den beskrivna monomer blandningen, placera UV källan 1 cm ovanför polymerisation tube 1.4 längst till höger på precision värmeplattan. Samla de olika fraktionerna av polymeriserat partiklarna i en 5 mL injektionsflaska av glas i slutet av röret 1.4. Samtidigt flödar under UV-ljus, bör ändra droppar färg från transparent till vitt.
      Försiktighet: Skyddsglasögon UV-skydd att skydda ögonen.
    6. Sätta en sköld (t.ex. en pappkartong) mellan ljuskällan och vattenbadet, för att förhindra eventuella igensättning av kapillären.
      Obs: Vid en igensättning polymerisation tube, det kan hjälpa för att värma den tilltäppta delen med en värmepistol.
    7. Efter alla monomeren konsumeras, ren installationen genom att injicera aceton i tube 1.3.

2. Sammanfattning av Core-shell LCE partiklar

  1. Montering av enheten
    1. Följ steg 1.1.1. men använda ett vatten bad maträtt med en D 190 mm istället.
    2. Bifoga en passande och bleck till båda ändarna av en fluorerad etylen propylen (FEP) slang hylsan (ID: 395 µm, OD: 1/16 tum, L: 1.55 tum), respektive. Först sticka en smält kiseldioxid kapillär (ID: 280 µm, OD: 360 µm, L: 8 cm) genom ärmen, på ett sådant sätt att det sticker ut ca 3 mm av ena sidan. Därefter hålla en tunnare kapillär (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L: 11 cm) genom den största en, så att det sticker några millimeter av dess längre sida.
    3. Skruva fast ärmen på en av motsättande armarna på en PEEK t-korsning för 1/16 tum OD rör (t-korsning 1) som är monterad på en liten metall bord, med den kortare änden av större kapillären når in i t-korsning.
    4. Sticka en PTFE tube (rör 2.1. OD: 1/16 tum, ID: 0.17 mm) som är tillräckligt lång för att ansluta en sprutpumpen med t-korsning 1 genom en av vattenbadets septa. Bifoga en passande och bleck till rörets ände inuti vattenbadet, Anslut den till t-korsning 1 gratis lateral arm och sticka tunnare kapillären inuti röret 2.1.
    5. Förbereda en andra PTFE tube (rör 2.2; OD: 1/16 tum, ID: 0,5 mm) med en passande och en hylsa och Anslut den till t-korsning 1 reservdelar arm. Sticka en annan PTFE tube (rör 2.3; OD: 1/16 tum, ID: 0,5 mm) genom ett andra hål i septum bredvid tube 2.1. Tube 2.3 bör vara tillräckligt lång för att ansluta en annan sprutpumpen med tube 2.2.
    6. Lägga till två kvinnliga luer lås för 1/16 tum OD slangar till de lediga ändarna av rören 2.2 och 2.3 inuti vattenbadet, respektive.
    7. Anslut den fria änden av hylsan till en av motsättande armarna på en andra titt t-korsning (t-korsning 2) som är också monterad på små metall bordet. Förbereda en fjärde PTFE tube (rör 2,4; OD: 1/16 tum, ID: 0.75 mm) med en passande plus bleck. Tube 2.4 är lång nog att nå en tredje sprutpumpen utanför vattenbadet och Anslut den till t-korsning 2 laterala arm.
    8. Förbereda en femte PTFE-röret (polymerisation tub 2,5; OD: 1/16 tum, ID: 0.75 mm) med en passande plus nedre och stick den genom andra septum. Tube 2.5 bör vara tillräckligt lång för att lämna vattenbadet och passera en hög precision värmeplattan. Anslut montering av tube 2,5 med återstående armen av den t-korsningen. Nu bör glas kapillärerna tips finnas inuti röret 2,5.
    9. Sätta i vattenbad på en värmeplatta som utrustade med en termometer, Använd tejp fixar tube 2.5 ovanpå en precision värmeplattan och bifoga en 5 mL injektionsflaska av glas till rörets ände. Anslut änden av röret 2.1 till en spruta fylld med glycerol (inre fas), ansluta tube 2.3 att en spruta fylld med hydrauloljan för fasen monomer (silikonolja; viskositet: 100 m2/s), ansluta tube 2.4 att en spruta fylld med kontinuerlig fas ( silikonolja; viskositet: 1.000 m2/s) och Anslut alla sprutor i sprutpumpar.
    10. Följ steg 1.1.7., men Läs tube 2,5 istället för tube 1.4.
  2. Beredning av monomer blandningen
    1. Följ alla steg 1.2.
  3. Beredning av core-shell partiklarna
    1. Bifoga en manlig luerlock för 1/8 tum OD rör i båda ändarna av röret som innehåller monomer blandningen, respektive. Därefter Anslut båda ändarna av denna tube med kvinnliga luer lås på ändarna av rören 2.2 och 2.3.
    2. Följ steg 1.3.2-1.3.4.
    3. Observera den droplet bildning via stereo Mikroskop.

3. Sammanfattning av Janus LCE partiklar

  1. Montering av enheten
    1. Följ steg 1.1.1.
    2. Bifoga en passande och bleck till båda ändarna av en FEP slang hylsan (ID: 395 µm, OD: 1/16 tum, L: 1.55 tum), respektive. Sticka två parallelly justerad smält kiseldioxid kapillärer (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L1: 8 cm, L2: 11 cm) genom hylsan. Kort kapillären sticker ut ca 3 mm ur ena ärmen. På den andra sidan av hylsan har båda kapillärer samma längd.
    3. Super-lim kapillärerna genom att sätta några lim på ena änden av hylsan och vänta tills det är botade.
    4. Anslut två PEEK t-korsningar genom att skruva hylsan på en av motståndarens armar, respektive, och montera både på ett litet metall bord.
    5. Följ steg 2.1.4-2.1.7.
    6. Förbereda en femte PTFE-röret (tube 3.5. OD: 1/16 tum, ID: 0,75 mm, L: 5 cm) med en passande plus nedre och Anslut den med den återstående delen av t-korsning 2. Både tips för glas kapillärer finns inuti tube 3.5.
    7. Sticka en annan PTFE tube (rör 3.6; OD: 1/16 tum, ID: 0,5 mm) genom andra septum. Tube 2.6 bör vara tillräckligt lång för att lämna vattenbadet och passera en precision värmeplattan. Anslut rören 3.5 och 3.6 via som passande system för 1/16 tum OD slangar.
    8. Sätta i vattenbad på en värmeplatta som utrustade med en termometer, Använd tejp fixar tube 3.6 ovanpå en precision värmeplattan och bifoga en 5 mL injektionsflaska av glas till rörets ände. Anslut änden av röret 3.1 till en spruta fylld med en vattenlösning monomer blandning (aq. monomer fas), Anslut röret 3.3 till en spruta fylld med hydrauloljan för LC-monomer fas (silikonolja; viskositet: 100 m2/s), Anslut röret 3.4 till en spruta fylld med den kontinuerliga fasen (silikonolja; viskositet: 1.000 m2/s) och Anslut alla sprutor i sprutpumpar.
    9. Följ steg 1.1.8, men läsa tube 3.6 istället för tube 1.4.
  2. Beredning av flytande kristallin (LC) monomer blandningen
    1. Följ alla steg 1.2.
  3. Beredning av vattenhaltigt monomer blandningen
    1. Bered en lösning av 40 wt % akrylamid i destillerat vatten. Lägga till 10 mol % av crosslinking agent N, N'-methylenebis(acrylamide) och 2 wt % av de initierare 2-hydroxi-2-methylpropiophenone till lösningen. (Båda belopp är med avseende på akrylamid).
      Obs: För att öka viskositeten av vattenhaltigt monomer blandningen, polyakrylamid kan läggas.
    2. Rör ned blandningen för 24 h i RT och fyll det i en 1 mL spruta, efteråt.
  4. Beredning av Janus partiklarna
    1. Bifoga en manlig luerlock för 1/8 tum OD rör i båda ändarna av röret som innehåller LC monomer blandningen, respektive. Därefter Anslut båda ändarna av denna tube med kvinnliga luer lås på ändarna av rören 3.2 och 3.3.
    2. Följ steg 1.3.2-1.3.4.
    3. Observera den droplet bildning via stereo Mikroskop.

4. analys av partiklar

  1. Pålagt en hot-scenen under en optiska mikroskop ansluten till en dator med programvara för bildåtergivning partiklarna. Att analysera partiklarnas aktivering, ta bilder på temperaturer ovanför och under sin fas övergångstemperaturen och mäta deras D.
    Obs: En droppe silicon olja förhindrar partiklar fastnar i objektet bilden.
  2. För att uppskatta partiklarnas clearing temperatur, bestämma temperaturen där partiklarna förlorar sin Dubbelbrytning under ett polariserat ljusmikroskop (POM).

Representative Results

I detta protokoll presenterar vi syntesen av LCE partiklar med olika morfologier via en mikroflödessystem strategi. De mikroflödessystem uppställningar för tillverkning av enstaka, core-skal och Janus partiklar visas i figur 129,38,41. En fördel med kontinuerligt flöde produktion är den mycket god kontrollen över både storleken och formen på partiklarna. Figur 2 en illustrerar fördelen att den enda droplet setup: en mycket smal storlek distribution med alla partiklar med samma forma41. Härmed, kan storleken på kulorna enkelt justeras genom att ändra förhållandet mellan flöden av olika faser. Efter de protokoll, partikel diametrar mellan 200 och 400 µm kan produceras i en väl kontrollerad sätt genom att välja flödet klassar nyckeltal, som visas i figur 2b1. Bästa resultat erhålls för flöden av den kontinuerliga fasen (Qc) mellan 1,5 och 2,0 mL/h och för ränta flödena av QCqd (Qd = flödet klassar av fasen monomer) mellan 20 och 200. För flödesvärden Qc = 1.75 mL/h och Qd = 0,35 mL/h, väl påverkande partiklar med en diameter på 270 µm iakttas, t.ex. Om högre nyckeltal Qc/qd väljs, är droplet bildandet mindre kontrollerade och partiklarnas storleksfördelning blir mycket bredare. För lägre nyckeltal är partiklarna inte sfäriska längre. Förutom de flöde klassar justeringarna, distansera av UV-lampan till polymerisation röret samt positionen mellan vänster och höger om precision värmeplattan kan ändra aktivering egenskaper LCE partiklar, som händer, till exempel om den polymerisation kinetik ändra på grund av att välja monomer blandning kompositioner eller tillämpas polymerisation temperaturer skiljer sig från de värden som beskrivs här.

Figur 3 en visar en påverkande partikel som förlänger upp till 70% när det upphettas över dess fas övergångstemperaturen, vilket bevisar att kravet att inducera en orientering av flytande kristallin direktören innan polymerisation är uppfyllt. Denna anpassning av mesogens resultaten från skjuvning mellan de högviskösa kontinuerlig fas och monomer droppar yta. Om silicon oljor med lägre viskositet används, minskas den partikelns aktivering.

Dessutom tillåter mikroflödessystem enheten kontroll över olika sorters aktivering mönster som töjning eller kontraktion under fas övergången, genom att variera andelen skjuvning agerar på droppar under polymerisationen. Detta kan behandlas enkelt vid konstanta flöden av den kontinuerliga fasen med hjälp av olika inre diametrar av polymerisation röret. Figur 3 en visar en prolate formade partikel, som förlänger längs dess rotationsaxel och syntetiserades på lägre skjuvning priser i ett bredare polymerisation rör (ID: 0.75 mm). Flytande kristallina molekylerna (mesogens) justeras längs ett koncentriska direktör fält i det här fallet. På andra sidan har rod-liknande partiklar (som illustreras i figur 3b) en sammandragning under arrangera gradvis övergången och en bipolär anpassningen av den mesogens' direktör fältet. Denna partikel producerades på skjuvning högre i en tunnare polymerisation tube (ID: 0,5 mm).

Protokollet beskrivs en annan fördel med mikroflödessystem processen. Förutom enstaka partiklar, kan också prover av mer komplexa morfologier syntetiseras. Figur 3 c visar ett aktiverings core-shell partikel och figur 3d en Janus partikel som båda producerades efter del 2 och 3 i det protokoll29,30.

Om alla steg i protokollet görs korrekt, bör partiklar att ha de egenskaper som visas i figur 4 uppnås3,41. I figur 4enritas uppvärmning och kylning kurvor för enstaka partiklar syntetiseras vid olika flöden. Av värme partikeln från rumstemperatur, flytande kristallin ordning - först - minskas för lite, vilket resulterar i en liten deformation av partikeln. Nära fas övergångstemperaturen, alla orientering är dock plötsligt förlorade och partikeln visar en stark töjning bara genom att värma den upp för några grader. Av nedkylning av partikeln, en hysteresis kan observeras, och den ursprungliga formen erhålls. Denna process är reversibel över många aktivering cykler, som visas i figur 4b.

Figure 1
Figur 1 : Mikroflödessystem uppställningar. (en) allmänna inställningen omfattar tre sprutor, som innehåller den hydrauliska silikonolja (1), vattenhaltigt monomer blandningen (3) och kontinuerlig fas silikonolja (4). Flytande kristallina monomeren blandningen (2) placeras i vattenbad (5) på 363 K, som värmer upp de flytande kristallerna till tillståndet isotropiskt. Droplet-programmets polymerisation initieras på värmeplattan (6) på 338 K i tillståndet nematic av de flytande kristallerna av UV-bestrålning (7). (Den enda partikel setup motsvarar de allmänna inställningarna, men saknar andra kapillären, spruta (3) och den andra t-korsningen). (b) i denna panel visas en setup som innehåller två kapillärer sida vid sida med varandra, vilket gör att Janus droplet bildandet. (c), core-skalet installationen består av en kapillär som är förkortats till en bredare andra kapillär. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: representativa partiklar erhålls i ultrakalla enda partikel setup. (en) i denna panel visas en mikroskopi bild av monodisperse LCE partiklar beredd i ultrakalla enda partikel setup. Skalstapeln = 200 µm. (b) i denna panel visas beroendet av partiklarnas diameter med avseende på förhållandet mellan oljans flöde (Qc) till monomer blandningens flöde (Qd). Storleken på de erhållna partiklarna är bara beroende på hastighet förhållandet mellan båda faserna och inte deras absoluta värden. (Denna siffra har ändrats från Ohm, Fleischmann, Kraus, Serra och Zentel1 och Ohm, Serra och Zentel41.) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Optisk mikroskopi bilder av fyra olika partikel morfologier i nematic statlig (på 353 K) och efter fasövergång i den isotropiska statlig (på 413 K). Dessa paneler visar (en) förlängningen av en oblate formad LCE partikel (koncentrisk direktör fält), (b), sammandragning av en rod-liknande formade LCE-partikel (bipolär direktör fält), (c), förlängning av en oblate-formad kärna-shell partikel och (d), sammandragning av en prolate-formade Janus partikel (vänstra delen: LCE, högra delen: akrylamid hydrogel). Skala barer = 100 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra. 

Figure 4
Figur 4 : Aktivering egenskaperna för representativa enstaka partiklar. (en) i denna panel visas uppvärmning och kylning kurvor LCE partiklar som utarbetas i den enda partikel mikroflödessystem setup vid olika flöden för den kontinuerliga fasen. Partiklarna förberett vid det högsta flöde som visar den starkaste aktivering (ca 70%) och båda kurvorna utgör en hysteresis, respektive. (b) Detta är en tomt på 10 aktivering cykler av LCE partiklar visar ingen minskning av deras aktivering över antalet cykel. Detta bevisar att partiklarna är tvärbundna och aktivering är helt reversibla. Obs: Denna graf ritades för en partikel som gjort från en main-kedjan LCE system men ser likadan ut för LCE-systemet används i denna artikel. (Denna siffra har ändrats från Ohm, Serra och Zentel41.) Klicka här för att se en större version av denna siffra. 

Discussion

Vi har beskrivit tillverkning av partiklar med olika morfologier via en mikroflödessystem strategi att producera LCE microactuators. För detta ändamål byggdes kapillär-baserade mikroflödessystem uppställningar som tillåter droplet bildandet följt av fotopolymerisation vid definierade temperaturer.

Här är en kritisk aspekt av en framgångsrik syntes rätt montering av installationen. Alla anslutningar mellan de enda delarna måste fastställas ordentligt att förhindra eventuella läckage av vätskor, och enheten måste vara rena före varje syntes att förhindra igensättning. Det är också viktigt att experimentet utförs under UV-fri förhållanden, sen, annars tidig polymerisation av monomerer blandningen och thus igen igensättning av installationen skulle vara resultatet.

Till denna dag, är den ultrakalla strategin beskrivs här den enda metoden som kan producera påverkande LCE partiklar. Härmed, uppfyller ultrakalla processen två krav samtidigt. Förutom tillverkning av en mängd lika stora mikro-objekt induceras en orientering av flytande kristallin direktören i dessa partiklar. Dessutom är det en ganska enkel procedur eftersom ett stort antal ställdon kan syntetiseras i ett enda steg. Tillämpa andra metoder, kräver orienteringen av mesogens vanligtvis ett extra steg som sträckningen av provet eller tillämpningen av foto-justering lager. Dessa processer är dessutom manuell, vilket innebär att produktionen av många ställdon är mycket tidskrävande. Dessutom LCE Morfologi är-i de flesta fall – begränsat till Polymerplaster. Nackdelarna med metoden mikroflödessystem är begränsning av partikeln storleksanpassar (som diametern är begränsad till värden mellan 200 och 400 µm), sårbarhet för igensättning kapillären, och nödvändigheten av UV-fri villkor under partikel förberedelsen i setup.

På-chip system används ofta för mikroflödessystem partikel påhitt eftersom de lätt kan produceras och görs av bara en bit. Dessa uppställningar, inte bara saknar nödvändiga inställningsmöjligheter för olika temperaturer under flödet men också är inte tillräckligt flexibla för att enkelt utbyta igensatt eller trasiga delar av microreactor. Därmed, det kapillär-baserade konfigurationer vi använder är mer lämpade för syntesen av LCE ställdon, som de uppfyller de viktigaste kraven.

Bortsett från våra presenterade resultaten ansätta Janus-partiklar och core-shell micropumps, mer komplexa ansättes partiklar med nya egenskaper kunde syntetiseras i framtiden och öppna nya möjligheter för mjuk ställdon program. Ytterligare ändring av Janus partiklar till flera lyhörd partiklar pågår redan. Därför siktar vi på införandet av en andra temperatur lyhörd polymer förutom den påverkande LCE. Ytterligare möjligheter för ny partikel design kan också uppstå vid användning av flytande kristallin azo-monomerer, vilket resulterar i det ljus-driven aktivering av LCE-partiklar17,18. I så fall kan vi tänka på Janus partiklar som innehåller både en temperatur-lyhörd samt en foto-ansättes del. Syntesen av ljus-driven core-shell partiklar eller pipe-liknande strukturer erbjuder en annan möjlig partikel-design, vilket skulle leda till foto-lyhörda micropumps. Ändring av de förfaranden som princip mikroflödessystem som vi presenterat ovan bör tillåta en mängd nya ställdon.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka de tyska Science Foundation för att finansiera detta arbete (Ze 230/24-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings Postnova_IDEX F-333N
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings Postnova_IDEX F-142N
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing Postnova_IDEX P-728 T-junction
Female Fitting for 1/16” OD Tubing Postnova_IDEX P-835 female luer-lock
Male Fitting for 1/8” OD Tubing Postnova_IDEX P-831 male luer-lock
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings Postnova_IDEX P-858 for the syrringe's tip
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' Postnova_IDEX F-185
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm Postnova Z-FSS-100165 glass capillary
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm Postnova Z-FSS-280360 glass capillary
‘‘Pump 33’’ DDS Harvard Apparatus 70-3333 syringe pump
Precision hot plate Harry Gestigkeit GmbH PZ 28-2
Stereomicroscope stemi 2000-C Carl Zeiss Microscopy GmbH 455106-9010-000
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 LOT Intensity: 500 W
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm WICOM WIC 33104 teflon tube
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm WICOM WIC 33102 teflon tube
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm WICOM WIC 33101 teflon tube
Silicion oil 1.000 cSt Sigma Aldrich 378399
Silicion oil 100 cSt Sigma Aldrich 378364
1,6-hexanediol dimethacrylate Sigma Aldrich 246816 Crosslinker
Lucirin TPO Sigma Aldrich 415952 Initiator
Polarized optical microscope BX51 Olympus For analysis
Hotstage TMS 94 Linkam For analysis
Imaging software Cell^D Olympus For analysis

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ohm, C., Fleischmann, E. K., Kraus, I., Serra, C., Zentel, R. Control of the properties of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers prepared in a microfluidic setup. Advanced Functional Materials. 20 (24), 4314-4322 (2010).
  2. Urbanski, M., et al. Liquid crystals in micron-scale droplets, shells and fibers. Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (13), 133003 (2017).
  3. Hessberger, T., Braun, L., Zentel, R. Microfluidic synthesis of actuating microparticles from a thiol-ene based main-chain liquid crystalline elastomer. Polymers (Basel). 8 (12), (2016).
  4. Palagi, S., et al. Structured light enables biomimetic swimming and versatile locomotion of photoresponsive soft microrobots. Nature Materials. , (February) 1-8 (2016).
  5. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid crystalline elastomers as actuators and sensors. Advanced Materials. 22, 3366-3387 (2010).
  6. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nature Materials. 14 (11), 1087-1098 (2015).
  7. Liu, D., Broer, D. J. Liquid crystal polymer networks: preparation, properties, and applications of films with patterned molecular alignment. Langmuir. 30 (45), 13499-13509 (2014).
  8. Ube, T., Ikeda, T. Photomobile polymer materials with crosslinked liquid-crystalline structures: molecular design, fabrication, and functions. Angewandte Chemie International Edition in English. 53 (39), 10290-10299 (2014).
  9. Zentel, R., Schmidt, G. F., Meyer, J., Benalia, M. X-ray investigations of linear and cross-linked liquid-crystalline main chain and combined polymers. Liquid Crystals. 2 (5), 651-664 (1987).
  10. Kapitza, H., Zentel, R. Combined liquid-crystalline polymers with chiral phases, 2 Lateral substituents. Macromolecular Chemistry and Physics. 189, 1793 (1988).
  11. Li, M. -H., Keller, P. Artificial muscles based on liquid crystal elastomers. Philosophical Transactions of the Royal Society A. Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 364 (1847), 2763-2777 (2006).
  12. Wiesemann, A., Zentel, R., Pakula, T. Redox-active liquid-crystalline ionomers: 1. Synthesis and rheology. Polymer (Guildford). 33 (24), 5315-5320 (1992).
  13. Pei, Z., Yang, Y., Chen, Q., Terentjev, E. M., Wei, Y., Ji, Y. Mouldable liquid-crystalline elastomer actuators with exchangeable covalent bonds. Nature Materials. 13 (1), 36-41 (2014).
  14. Wang, Z., Tian, H., He, Q., Cai, S. Reprogrammable, reprocessible, and self-healable liquid crystal elastomer with exchangeable disulfide bonds. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (38), 33119-33128 (2017).
  15. Chambers, M., Finkelmann, H., Remškar, M., Sánchez-Ferrer, A., Zalar, B., Žumer, S. Liquid crystal elastomer-nanoparticle systems for actuation. Journal of Materials Chemistry. 19 (11), 1524-1531 (2009).
  16. Braun, L. B., Linder, T., Hessberger, T., Zentel, R. Influence of a crosslinker containing an azo group on the actuation properties of a photoactuating LCE system. Polymers.(Basel). 8 (12), 435 (2016).
  17. Braun, L. B., Hessberger, T., Zentel, R. Microfluidic synthesis of micrometer-sized photoresponsive actuators based on liquid crystalline elastomers. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8670-8678 (2016).
  18. Ikeda, T., Mamiya, J. I., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angewandte Chemie International Edition. 46, 506-528 (2007).
  19. Zeng, H., Wani, O. M., Wasylczyk, P., Kaczmarek, R., Priimagi, A. Self-regulating iris based on light-actuated liquid crystal elastomer. Advanced Materials. 29 (30), 1-7 (2017).
  20. Küpfer, J., Finkelrnann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 12, 717-726 (1991).
  21. Bergmann, G. H. F., Finkelmann, H., Percec, V., Zhao, M. Y. Liquid-crystalline main-chain elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 18 (5), 353-360 (1997).
  22. Li, M. H., Keller, P., Yang, J., Albouy, P. A. An artificial muscle with lamellar structure based on a nematic triblock copolymer. Advanced Materials. 16 (21), 1922-1925 (2004).
  23. Brehmer, M., Zentel, R., Wagenblast, G., Siemensmeyer, K. Ferroelectric liquid-crystalline elastomers. Macromolecular Chemistry and Physics. 195 (6), 1891-1904 (1994).
  24. Beyer, P., Terentjev, E. M., Zentel, R. Monodomain liquid crystal main chain elastomers by photocrosslinking. Macromolecular Rapid Communications. 28 (14), 1485-1490 (2007).
  25. Ditter, D., et al. MEMS analogous micro-patterning of thermotropic nematic liquid crystalline elastomer films using a fluorinated photoresist and a hard mask process. Journal of Materials Chemistry C. 5, 12635-12644 (2017).
  26. Lopez-Valdeolivas, M., Liu, D., Broer, D. J., Sánchez-Somolinos, C. 4D printed actuators with soft-robotic functions. Macromolecular Rapid Communications. 1700710, 3-9 (2017).
  27. Ohm, C., Kapernaum, N., Nonnenmacher, D., Giesselmann, F., Serra, C., Zentel, R. Microfluidic synthesis of highly shape-anisotropic particles from liquid crystalline elastomers with defined director field configurations. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5305-5311 (2011).
  28. Ohm, C., et al. Preparation of actuating fibres of oriented main-chain liquid crystalline elastomers by a wetspinning process. Soft Matter. 7, 3730 (2011).
  29. Hessberger, T., et al. Co-flow microfluidic synthesis of liquid crystalline actuating Janus particles. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8778-8786 (2016).
  30. Fleischmann, E. -K., Liang, H. -L., Kapernaum, N., Giesselmann, F., Lagerwall, J., Zentel, R. One-piece micropumps from liquid crystalline core-shell particles. Nature Communications. 3, 1178 (2012).
  31. Khan, I. U., et al. Microfluidic conceived drug loaded Janus particles in side-by-side capillaries device. International Journal of Pharmaceutics. 473 (1-2), 239-249 (2014).
  32. Vennes, M., Martin, S., Gisler, T., Zentel, R. Anisotropic particles from LC polymers for optical manipulation. Macromolecules. 39 (24), 8326-8333 (2006).
  33. Serra, C. a, et al. Engineering polymer microparticles by droplet microfluidics. Journal of Flow Chemistry. 3 (3), 66-75 (2013).
  34. Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidics: from dynamic lattices to periodic arrays of polymer disks. Langmuir. 21 (11), 4773-4775 (2005).
  35. Kim, K., Pack, D. Microspheres for drug delivery. BioMEMS and Biomedical Nanotechnology. 2, 19-50 (2006).
  36. Kim, J. -W., et al. Titanium dioxide/poly(methyl methacrylate) composite microspheres prepared by in situ suspension polymerization and their ability to protect against UV rays. Colloid and Polymer Science. 280 (6), 584-588 (2002).
  37. Serra, C., Berton, N., Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. A predictive approach of the influence of the operating parameters on the size of polymer particles synthesized in a simplified microfluidic system. Langmuir. 23 (14), 7745-7750 (2007).
  38. Chang, Z., Serra, C. a, Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. Co-axial capillaries microfluidic device for synthesizing size- and morphology-controlled polymer core-polymer shell particles. Lab on a Chip. 9, 3007-3011 (2009).
  39. Braun, L. B., Hessberger, T., Serra, C. A., Zentel, R. UV-free microfluidic particle fabrication at low temperature using ARGET-ATRP as the initiator system. Macromolecular Reaction Engineering. 10 (6), 611-617 (2016).
  40. Thomsen, D. L., et al. Liquid crystal elastomers with mechanical properties of a muscle. Macromolecules. 34, 5868-5875 (2001).
  41. Ohm, C., Serra, C., Zentel, R. A continuous flow synthesis of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers. Advanced Materials. 21 (47), 4859-4862 (2009).

Tags

Kemi fråga 135 ultrakalla partikel Janus partikel core-shell partikel microsphere ställdon konstgjord muskel flytande kristallin elastomer stimuli-lyhörda fotopolymerisation kontinuerligt flöde syntes
Mikroflödessystem beredning av flytande kristallin Elastomer ställdon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, … More

Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, C. A., Zentel, R. Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (135), e57715, doi:10.3791/57715 (2018).

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