卡内基梅隆大学的研究人员正在使用冰3D打印来应对组织工程中的一个关键挑战。
在一位名叫Feimo Yang的研究生的带领下，在Philip LeDuc教授和Burak Ozdoganlar教授的指导下，该团队在制造血管样结构方面取得了非凡的精度，通过复制对器官功能至关重要的复杂微尺度网络，解决了组织工程中的一个关键挑战。
据该团队称，每年有超过100000名等待移植的美国人和数千人丧生，这凸显了对组织工程解决方案的迫切需求。组织工程的主要挑战之一是复制对器官功能至关重要的复杂血管网络。事实证明，匹配天然血管的复杂性和功能对于传统的人工血管设计具有挑战性，这在该领域构成了重大障碍。
在3D冰打印中，通常使用冷表面，并在其上添加水流。“我们的方法与其他类型的3D打印的不同之处在于，我们在打印时不会让水完全冻结，而是让它在上面保持液相。这种连续的过程，也就是我们所说的自由形式，帮助我们获得一个非常光滑的结构。我们没有许多3D打印中典型的分层效果，“Yang解释道。
3D打印的血管冰模板如左图所示。右图显示了一周后在模板上形成血管样结构的细胞成像。
CMU方法的核心是重水，这是一种独特的水形式，其中氢原子被氘取代，提高冰点并形成光滑的冰结构。然后将这些3D打印的冰模板嵌入到称为GelMA的明胶材料中。
暴露在紫外线下时，明胶会凝固，而冰会融化，留下错综复杂的血管通道，与天然血管非常相似。这一突破不仅证明了创建逼真的血管网络的可行性，而且还为无数的潜在应用打开了大门。
这项研究最重要的成就之一是成功地将内皮细胞引入制造的通道中。这些细胞在明胶底物上表现出长达两周的活力，暗示了在未来迭代中长期培养的可能性。
据该团队称，除了对器官移植的影响外，这种方法还有望用于各种应用，包括血管药物测试和个性化医疗。通过用患者的细胞涂覆3D打印的容器，研究人员还可以评估这些细胞对药物治疗的反应，从而可能提高治疗效果和安全性。
过去，CMU的研究人员开发了一种3D打印微尺度冰结构的方法，作为复杂通道的牺牲模板。该过程包括将水滴喷射到冷冻平台上，形成光滑的冰雕，这些冰雕可以嵌入树脂中并融化，留下复杂的内部路径。该技术使具有液体或气流导管的设备成为可能，适用于软机器人、柔性电子和仿生人体组织。
今年1月，麻省理工学院的研究人员开发了3D打印的自热微流体设备，用于经济实惠的疾病检测。利用多材料 3D 打印，他们定制了具有特定加热曲线的设备。由于材料总额仅为 2 美元，这种具有成本效益的方法可以在缺乏实验室设备的偏远地区进行部署。
通过掺入注入铜纳米颗粒的改性PLA作为电阻器，它们在流动过程中实现了流体加热。在面临温度限制和流体泄漏等挑战的同时，计划包括集成温度传感和探索磁体用于粒子分选，以完善该技术的实际应用。
早在 2021 年，布里斯托大学的研究人员就推出了一种经济实惠的开源 3D 打印方法来创建微流控设备，特别是使用聚二甲基硅氧烷。通过利用标准的家用设备和桌面3D打印机，该方法大大降低了成本，并提高了微流体研究的可及性。其潜在影响延伸到芯片实验室、细胞生物学和蛋白质结晶等领域，为负担得起的即时诊断技术提供了有希望的机会。
在其他地方，史蒂文斯理工学院的研究人员利用计算建模来改进基于微流体的3D生物打印。与基于挤出的生物打印机不同，它们的微流体方法允许通过微小的通道精确操纵液体，从而促进创建小至数十微米的结构。
实现细胞级精度对于准确复制生物学特征至关重要。据该团队称，微流体是超越3D生物打印极限的关键，有可能通过复杂的组织工程和直接皮肤应用于伤口来支持器官移植。
