Voorbereiding van de Monodomain Liquid Crystal Elastomers en Liquid Crystal elastomeer Nanocomposieten
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 zijn vorm-responsieve materialen met een volledig omkeerbaar vormverandering en potentiële toepassingen in de geneeskunde, tissue engineering, kunstmatige spieren, en zo zacht robots. Hier tonen we de voorbereiding van vloeibare kristallen elastomeren shape-responsieve (LCEs) en LCE nanocomposieten, samen met de karakterisering van hun vorm-reactievermogen, mechanische eigenschappen en microstructuur. Twee soorten LCEs –polysiloxaan gebaseerde en op epoxybasis – gesynthetiseerd, gericht en gekarakteriseerd. -Polysiloxaan gebaseerde LCEs worden bereid door middel van twee verknoping stappen, de tweede onder een aangebrachte belasting, wat resulteert in monodomain LCEs. Polysiloxaan LCE nanocomposieten worden bereid door toevoeging van geleidend roet nanopartikels, zowel gedurende het grootste deel van de LCE en LCE oppervlak. Epoxybasis LCEs worden bereid door een omkeerbare veresteringsreactie. Epoxybasis LCEs uitgelijnd door toepassing van een uniaxiaal belasting bij hoge (160 ° C) temperatures. Uitgelijnd en LCEs LCE nanocomposieten worden gekarakteriseerd wat betreft omkeerbare rek, mechanische stijfheid en vloeibaar kristal geproduceerd met een combinatie van beeldvorming, tweedimensionale röntgendiffractie metingen, differentiële scanning calorimetrie en dynamische mechanische analyse. LCEs en LCE nanocomposieten kunnen worden gestimuleerd met warmte en / of elektrische potentiaal regelbaar genereren spanningen in celkweek media, en we tonen de toepassing van LCEs als vorm reagerende substraten voor celkweek onder toepassing van een op maat gemaakte inrichting.
Introduction
Materialen die snel, reversibel en programmeerbare veranderingen vorm kan vertonen wenselijk voor een reeks toepassingen 1-9. Shape-responsieve stents kan helpen met wondgenezing en behandeling 7. Kunstmatige robots kan helpen bij het onderzoek of bij de uitvoering van taken in omgevingen die schadelijk of onveilig voor de mens 10 zijn. Shape reagerende elastomeren gewenst voor de actieve celkweek, waarbij cellen worden gekweekt in een actieve omgeving. 11-14 Andere toepassingen zijn verpakking, detectie en geneesmiddelafgifte.
Vloeibare kristallen elastomeren (LCE) zijn polymeer netwerken met vloeibare kristallen bestellen 15-20. LCEs worden gemaakt door het combineren van een flexibel polymeernetwerk met vloeibaar kristalmoleculen genoemd mesogenen. De responsiviteit van LCEs wordt afgeleid uit de koppeling van vloeibare kristallen om spanningen in het polymère netwerk, en prikkels die de ordening van mesogenen invloed zal gennetwerk stammen tarief, en vice versa. Om grote en omkeerbare vorm-veranderingen in afwezigheid van een externe belasting te bereiken, moet de mesogenen worden uitgelijnd in één richting LCE. Een gemeenschappelijke praktische uitdaging in het werken met LCEs is het genereren monodomain LCEs. Een andere uitdaging is het genereren van vorm verandert als gevolg van andere stimuli dan de directe verwarming. Dit kan door toevoeging van nanodeeltjes of kleurstoffen LCE netwerken 21-28.
Hier tonen we de voorbereiding van monodomain LCEs en LCE nanocomposieten. Ten eerste, tonen we de voorbereiding van monodomain LCEs gebruik van de twee-staps methode voor het eerst gemeld door Kupfer et al. 29 Dit is nog steeds de meest populaire en bekende werkwijze voor het bereiden monodomain LCEs, maar het bereiken van een uniforme afstemming en samenhang tussen de monsters kan een uitdaging zijn . We tonen een benadering die gemakkelijk kunnen worden geïmplementeerd met behulp van standaard laboratoriumapparatuur met volledige gegevens van steekproevenverwerking en bereiding. Vervolgens tonen we hoe geleidend carbon black nanodeeltjes LCEs kunnen worden toegevoegd aan geleidende, elektrisch reagerend LCEs produceren. Vervolgens hebben we tonen de synthese en uitlijning van op basis van epoxy LCEs. Deze materialen vertonen omwisselbare netwerk bindingen en kunnen worden uitgelijnd door verhitting tot hoge temperaturen en het aanbrengen van een gelijkmatige belasting. Alle LCEs kenmerken met macroscopische monster beeldvorming, röntgendiffractie metingen en dynamische mechanische analyse. Tot slot laten we zien een mogelijke toepassing van LCEs als vorm reagerende substraten voor actieve cel cultuur.
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
Dit werk werd ondersteund door de Nationale Carrièrebeurs Foundation (CBET-1336073 naar RV), de ACS Petroleum Research Fund (52345-DN17 tot RV), de American Heart Association (BGIA naar JGJ), de National Science Foundation (LOOPBAAN CBET-1.055.942 aan JGJ), de National Institutes of Health / National Heart, Lung and Blood Institute (1R21HL110330 naar JGJ), Louis en Peaches Owen en Texas Children's Hospital.
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).
