モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製
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
種の保存法は、完全に可逆的な形状変化と医療における潜在的な用途、組織工学、人工筋肉、とのような柔らかいロボットと形状応答性材料です。ここでは、その形状、応答性の特性、機械的特性、および微細構造とともに形状応答液晶エラストマー（種の保存法）とLCEナノコンポジットの製造を実証します。種の保存法の二つのタイプ – ポリシロキサン系、エポキシ系 – は、合成された整列、及び特徴づけられます。ポリシロキサン系種の保存法は、モノドメイン種の保存法で、その結果、2架橋段階、荷重負荷時二経て製造されています。ポリシロキサンLCEナノ複合材料は、LCEのバルク全体とLCE表面に両方、導電性カーボンブラックのナノ粒子を添加することにより調製されます。エポキシ系種の保存法可逆エステル化反応を介して調製されます。エポキシ系種の保存法は、高い（160℃）tにおける一軸負荷のアプリケーションを介して配列されていますemperatures。整列種の保存法及びLCEナノ複合材料は、画像、二次元X線回折測定、示差走査熱量測定、及び動的機械分析の組み合わせを用いて可逆歪み、機械的剛性、及び液晶順序に関して特徴付けられます。種の保存法及びLCEナノ複合材料は、制御可能な細胞培養培地中で株を生成するために、熱および/または電気的な電位を刺激することができ、我々は、特注の装置を用いた細胞培養用形状応答基質として種の保存法の適用を示します。
Introduction
高速可逆、プログラマブル形状変化を示すことができる材料は、新しいアプリケーション1-9の数に望ましいです。シェイプ応答性ステントは、創傷治癒および治療7を支援することができます。人工ロボット探査で又はヒト10に有害または安全ではない環境でタスクを実行するのを助けることができます。形状応答性エラストマーは、細胞が活性な環境下で培養される、アクティブな細胞培養での使用のために望ましいものである。11-14他の用途は、包装、感知、および薬物送達を含みます。
液晶エラストマー（LCE）15-20を注文液晶とポリマーネットワークです。種の保存法は、メソゲンとして知られる液晶分子を有する柔軟なポリマーネットワークを組み合わせることによって作製されます。種の保存法の応答性がメソゲンの順序に影響を与える高分子ネットワーク内の株、および刺激に液晶秩序のカップリングに由来します遺伝子レートネットワーク株、およびその逆。外部負荷の非存在下での大規模かつ可逆的な形状変化を達成するために、メソゲンは、LCEで単一方向に整列されなければなりません。種の保存法での作業で共通の実践的な課題は、モノドメイン種の保存法を生成しています。別の課題は、直接加熱以外の刺激に応答して形状変化が生成されます。これはLCEネットワーク21-28にナノ粒子や染料を添加することによって行うことができます。
ここでは、モノドメイン種の保存法とLCEナノ複合材料の製造を実証します。まず、第一クッパーらによって報告された2段階法を用いてモノドメイン種の保存法の製造を実証する。29。これはまだモノドメイン種の保存法を製造するための最も人気のある、よく知られた方法であるが、サンプル間の均一な配向性と一貫性を達成することは困難な場合があります。我々は、サンプリングの詳細を含む容易に標準的な実験装置を用いて実施することができる方法を実証します取り扱いと準備。次に、ブラックナノ粒子は、導電性、電気応答種の保存法を生成する種の保存法に添加する方法、導電性カーボンを示します。私たちは、その後、エポキシ系種の保存法の合成と配置を示しています。これらの材料は、交換ネットワークの結合を示し、高温に加熱し、均一な荷重を印加することによって整列させることができます。すべて種の保存法は、巨視的サンプルのイメージング、X線回折測定、及び動的機械分析により特徴付けられます。最後に、我々は、アクティブな細胞培養のための形状応答性基質として種の保存法の1の潜在的なアプリケーションを示しています。
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
この作品は、国立職業財団（RVへCBET-1336073）、ACS石油研究基金（RVへ52345-DN17）、アメリカ心臓協会（JGJにBGIA）、国立科学財団（キャリアによってサポートされていましたCBET-1055942へJGJ）、健康/国立心肺血液研究所（JGJに1R21HL110330）、ルイと桃オーウェンとテキサス小児病院の国立研究所。
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).
