用于先进制造和生物医学工程的3D打印微型冰结构

重大的科学突破往往需要最小规模的发明。可以替代心脏和肺的组织工程的进步将需要制造允许血液通过不比一根头发粗的通道流动的人造组织。同样，安全舒适地与人类进行物理交互的微型软机器人(软机器人)设备将需要制造具有复杂的小型液体和气流通道网络的组件。

3D打印技术的进步使得制造如此微小的结构成为可能。但是对于那些在特定复杂几何形状中需要非常小、平滑的内部通道的应用来说，挑战仍然存在。使用传统工艺对这些几何形状进行3D打印需要使用打印后难以移除的支撑结构。使用基于层的方法以高分辨率打印这些模型需要很长时间并且会影响几何精度。

卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种高速、可重复的制造方法，将3D打印过程“从内到外”。他们开发了一种3D打印冰结构的方法，该方法可用于创建牺牲模板，这些模板随后在制造零件内形成管道和其他开放特征。

“使用我们的3D制冰工艺，我们可以制造具有光滑壁和具有平滑过渡的分支结构的微型冰模板。这些随后可用于制造具有明确内部空隙的微型零件，”Garg说。

作为地球表面最丰富的物质和任何生物体的主要组成部分，水非常适合用于生物工程应用。水到冰的简单而快速的相变为使用水作为环保结构材料提供了令人兴奋的机会。

“它没有比水更具生物相容性，”Garg说。

该团队使用打印的冰结构作为“反向成型”或由内而外的3D打印的牺牲模板。冰结构被浸没在冷却的结构材料(例如树脂)的液体或凝胶形式中。在材料凝固或固化后，除去水。为此，可以将冰融化以排出水。或者，可以通过将冰转化为水蒸气而不将其转化为液态水来升华。这种容易升华冰的能力允许在铸造和固化周围结构材料后轻松“温和”地去除。

高分辨率3D打印系统用于将水滴沉积到-35oC定制的温控平台上，该平台可将水快速转化为冰。通过调制水滴的喷射频率并将其与平台的运动同步，新工艺可以打印具有光滑表面的分支几何形状，并且可以在平滑过渡的情况下连续变化直径。

研究人员通过打印多个复杂的冰几何图形来证明这一点，例如一棵树、一根杆子周围的螺旋线，甚至是一个半毫米高的章鱼雕像。水的快速相变和冰的强度使冰结构的自由形式3D打印成为可能，而无需耗时的逐层打印或支撑结构。

进行了实验研究以确定打印路径、运动阶段速度和液滴频率，以可重复地制造具有直线、倾斜、分支和分层几何形状的光滑冰结构。

“控制这么多参数是一项挑战，”Garg解释说。“我们逐渐建立了复杂性。”

“这是一项了不起的成就，将带来令人兴奋的进步，”Ozdoganlar评论道。“我们相信这种方法具有巨大的潜力，可以彻底改变组织工程和其他需要具有复杂通道的微型结构的领域，例如微流体和软机器人。”

卡内基梅隆大学的教师研究人员经常在跨学科团队中合作，以解决此类工程和生物学挑战。

“卡内基梅隆大学的精彩之处之一是将来自不同学科的人们聚集在一起，以开发新方法并以独特的新方式解决问题，这正是在这里开发这些令人兴奋的发现所发生的事情，”LeDuc说。

研究人员承认已故的LeeWeiss的巨大贡献，他最初构建了高分辨率3D打印系统。Weiss是工程学院和计算机科学学院的教授，也是卡内基梅隆大学机器人研究所的创始成员。

该研究发表在AdvancedScience上。虽然在工程应用中采用3D制冰工艺(例如为软机器人创建气动通道)可以在短短一年内实现，但其在组织工程中的临床应用将需要更多时间。

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