ICE 3D打印过程可以产生具有复杂内部通道的新型生物医学和电子设备
据该团队称，该技术有可能产生具有成熟的液体或气流管道网络的设备，包括从能够安全和非侵入性地与患者互动的软机器人到柔性电子设备和仿生人体组织的任何设备。静脉样通道。“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，该项目的研究员和卡内基梅隆大学机械工程专业的学生 Akash Garg 解释说。 “这些随后可用于制造具有明确内部空隙的微型零件。”
团队的逆向成型过程图和他们的一些原型印刷品。照片来自卡内基梅隆大学。
Ice 3D打印：一个新兴领域
内部通道旨在允许流体通过零件的结构，通常用于具有热调节应用（如热交换器）的 3D 打印产品，或者在较小规模的生物医学芯片实验室设备中使用。然而，即使在后处理领域不断改进，去除卡在此类物体内的任何多余材料也可能具有挑战性。
解决这个问题的一种方法在研究界获得了广泛的关注，即冰模板的 3D 打印可以在融化之前集成到物体中。 2019 年，在中国北京大学，科学家们开发了一种基于体素的冰 3D 打印方法，其中每个体素可以作为液滴或团块喷射，以创建复杂的字母形结构。
再回到 1999 年，清华大学和新泽西理工学院的科学家甚至试验了一种快速冷冻原型 3D 打印工艺，用于建造更大的厘米级结构。但在实践中，这些方法难以匹配具有光滑表面和微观特征的物体的生产。特别是后者，在沉积和冻结之间也存在时间延迟，这使得在没有支撑的情况下难以打印。
显示研究人员的自由形式冰打印过程如何工作的图表。图片来自卡内基梅隆大学。
“由内而外”的 3D 打印方法
为了让冰 3D打印更可行，卡内基梅隆大学团队现在建造了他们自己的 3D 打印机，该打印机由一个安装在 X-Y 平台上的温度控制平台和 MicroFab 喷墨打印头组成。使用液滴喷射频率调制，这种设置理论上允许喷射与平台的运动同步，从而能够创建表面光滑的部件。
通过触发快速的液体到固体的相变，该系统还能够在不需要支撑的情况下做到这一点，同时在丙烯酸外壳内进行该过程使其能够以防止结霜的方式进行。为了测试他们的系统，研究人员最初尝试 3D 打印狭窄的倾斜支柱，但过度的平台移动导致许多液滴错过目标并开始新的构建。然而，使用这些测试的数据，科学家们发现他们可以开发出预编程的阶段轨迹，从而产生具有弯曲几何形状和高达 80° 悬垂的结构。
在复制这些测试以创建一系列日益复杂的 3D 几何图形后，该团队继续评估它们作为牺牲模板的功效。在这个过程中，一组 3D 打印的冰雕浸没在 Henkel Loctite 3971 树脂中，该树脂已经过预冷以防止它们瞬间融化。然而，即便如此，最初的模板还是融化了，取代了最终零件的内部通道。
然而，通过在固化过程中控制光强度，该团队最终能够防止冰融化，直到零件完成，然后再将其蒸发掉，从而保留仅 3 µm 偏差的路径。科学家们证明了他们的逆向成型工艺比其他微流体 3D 打印方法“快了几个数量级”，科学家们表示它可以解决多种医疗应用。
“这是一项了不起的成就，将带来令人兴奋的进步，卡内基梅隆大学机械工程教授 Burak Ozdoganlar 补充道。 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。”
该团队的一些倾斜 3D 打印支柱样品。照片来自卡内基梅隆大学。
医疗研发中的微流控 3D 打印
使用微型 3D 打印，开发具有集成通道的微流体设备变得越来越可能，这些设备有可能促进生物医学研发的进步。例如，在史蒂文斯理工学院，科学家们已经转向基于微流体的 3D 生物打印技术，以帮助更广泛地开发 3D 打印器官。
今年早些时候，还宣布 Phase 和弗吉尼亚理工大学的新型 3D 打印微流体设备可以帮助研究人员针对脑癌等疾病制定新的和改进的医学治疗方法。在获得国家转化科学促进中心的资助后，两人的目标是开发一种简化药物发现的方法。
与此同时，布里斯托大学的研究人员开发了一种低成本、开源的微流控 3D 打印方法。该过程仅需要日常设备、桌面 3D 打印机和免费使用的软件，旨在降低微流控设备制造的复杂性和进入门槛。
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