3D 打印技术的进步已使医学、制造和能源等多个领域的众多应用成为可能。可以使用多种不同的材料来打印简单的基础和精细的细节，从而创建具有定制几何形状的结构。
然而，创建具有微尺度、精确内部空隙和通道的结构仍然具有挑战性。例如，组织工程中使用的支架必须包含模拟人体血管的三维复杂管道网络。使用传统的增材制造技术，材料是逐层沉积的，很难在不牺牲时间、准确性和资源的情况下打印出如此复杂的内部特征。
为了解决这个问题，卡内基梅隆大学机械工程学教授Philip LeDuc和Burak Ozdoganlar正在带头开发自由曲面 3D 冰打印 (3D-ICE) 工艺。该技术采用按需滴落的 3D 打印方法，用水代替传统的印刷油墨。压电喷墨喷嘴将微小的水滴喷射到保持在冰点以下的构建平台上。这使得水滴在接触后不久就会冻结。
独特的是，可以控制该过程以在前一滴液滴冻结之前沉积一滴或多滴液滴。这样，打印结构的顶部会保留一个水帽，冻结从底部开始。这使得创建具有光滑壁、过渡和分支的结构成为可能。可以制造出像人的头发一样小的特征。随着更多液滴的沉积，构建平台上的冰结构逐渐成型。可以通过控制液滴沉积速率以及打印表面、液滴和工作空间的温度来调整柱子几何形状的直径、高度和相对平滑度。如果构建平台发生移动，使得进入的液滴以一定角度撞击，冻结前沿将相应旋转，从而可以产生分支、弯曲和悬垂结构，而如果没有额外的支撑材料，使用其他 3D 打印技术打印这些结构将具有挑战性或不可能。
“3D 冰可以用作牺牲材料，这意味着我们可以用它在制造的部件内部创建形状精确的通道，”勒杜克说。“这将在很多领域都有用，从制造新组织到软机器人。”
自项目开始以来，LeDuc 和 Ozdoganlar 的研究团队一直在研究如何确保 3D 冰的形成过程可预测且可重复。在他们最近发表在《国家科学院院刊》(PNAS，Garg 等人，2024 年)上的文章中，他们描述了 2D 和 3D 数值模型，以阐明 3D 冰背后的物理原理，包括传热、流体动力学以及打印过程中从液体到固体的快速相变。
他们的 2D 模型绘制了直柱的构造，包括分层沉积和平滑沉积的各自影响。“液滴沉积的频率会影响结构的高度和宽度，”Ozdoganlar 说。“如果快速沉积，水帽就会增长，产生更宽的结构。如果缓慢沉积，则结构会变得更窄更高。基质温度也会产生影响。对于相同的液滴沉积速率，较低的基质温度会产生更高的结构。”
他们的 3D 模型通过预测冻结锋的旋转来绘制斜向结构的构造。“有各种类型的热传递，包括传导至底部和对流至周围区域，”Ozdoganlar 说道。“当你沉积每个液滴时，所有这些因素都在同时起作用。如果你倾斜沉积，液滴的一部分会在冻结前溢出到柱子的一侧。当你继续以该角度沉积时，冻结锋会慢慢改变形状，结构会朝那个方向生长。”
除了进一步完善数学模型外，勒杜克和奥兹多甘拉尔的实验室现在还希望扩大 3D-ICE 的规模，并探索其在一系列应用中的功效。例如，组织工程的当前策略通常涉及设计通用组织。3D-ICE 很快就能打印出与每位患者血管系统独特结构相匹配的个性化组织，满足患者身体的特定需求。此外，3D-ICE 将能够创建功能性组织结构，用于了解不同的疾病或开发新的治疗方法。
“我刚开始建立实验室时，从未想过我们能用 3D 打印技术打印冰块，并用它来制造组织来帮助人们，”勒杜克说。“但我们的研究已经发展起来。它把像布拉克和我这样的人聚集在一起，每个人都带来了各种不同的观点和能力。在这个跨学科的科学和工程领域，大家齐心协力做这项工作是一件很棒的事情，整体效果肯定大于个体效果。”
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