重大的科学突破往往需要最小规模的发明。组织工程要想取代心脏和肺，就需要人造组织的制造，这种人造组织能让血液在不厚于一根头发的通道中流动。同样，微型软机器人(软机器人)设备要与人类安全舒适地进行物理交互，就需要制造具有复杂的小型液体和气流通道网络的部件。
3D打印技术的进步使得制造这样微小的结构成为可能。但对于那些需要非常小、光滑、内部通道的复杂几何结构的应用，挑战仍然存在。使用传统工艺进行这些几何图形的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，并牺牲几何精度。
一些用3D冰打印的复杂3D几何图形的例子，包括螺旋、树和1.5毫米高的章鱼。
研究人员卡内基梅隆大学已经开发出一种高速、可复制的制造方法，将3D打印过程“里外翻转”。他们开发了一种3D打印冰结构的方法，在新的窗口中打开，可以用来创建牺牲模板，后来形成管道和其他开放的特征在制造零件。
压电喷墨喷嘴用于喷射水滴(直径= 50 μ m)到-35◦C的冷建造平台上。构建阶段的平面(X-Y)运动与液滴放电同步，打印复杂的冰几何图形。
他们正在用冰制造这些三维微尺度的分辨率结构。是的,冰。
机械工程专业博士生Akash Garg和化学工程专业博士后Saigopalakrishna Yerneni在机械和生物医学工程专业教授Burak Ozdoganlar、Philip LeDuc和Phil Campbell的指导下进行了工艺开发和研究。
“使用我们的3D冰工艺，我们可以制作具有平滑壁和平滑过渡的分支结构的微尺度冰模板。这些随后可用于制造具有明确内部空隙的微尺度部件。”Garg说。
作为地球表面最丰富的物质和任何生命体的基本组成部分，水非常适合用于生物工程应用。水向冰的简单而快速的相变为水作为一种环保结构材料提供了令人兴奋的机会。
“使用我们的3D冰工艺，我们可以制作具有平滑壁和平滑过渡的分支结构的微尺度冰模板。机械工程博士生Akash Garg说:“这些材料随后可用于制造具有明确内部空隙的微尺度部件。”“没有任何东西比水更具有生物相容性。”
该团队使用打印的冰结构作为“反向成型”或由内而外3D打印的牺牲模板。冰结构被浸入到冷冻结构材料(如树脂)的液体或凝胶形式中。当材料凝固或固化后，水被除去。为了达到这个目的，冰可以融化以排出水。或者，冰可以升华为水蒸气而不变成液态水。这种容易升华冰的能力允许在浇铸和凝固周围的结构材料后容易和“温和”去除。
冰模板可以浸泡在光固化的，化学交联的，或溶剂型聚合物作为外部材料(固体部分)。在固化周围的基质后，水被升华出来产生最终的阳性形式。
高分辨率3D打印系统用于沉积水滴到-35◦C定制的温控平台，迅速将水转化为冰。通过调节水滴的喷射频率，并将其与工作台的运动同步，新工艺能够打印出具有光滑表面的分支几何图形，以及具有平滑过渡的直径连续变化。研究人员通过打印多种复杂的冰几何图形来证明这一点，比如一棵树，围绕着一根杆子的螺旋，甚至是一个1.5毫米高的章鱼雕像。水的快速相变和冰的强度使冰结构的3D打印成为可能，而不需要耗时的一层一层打印或支撑结构。
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，以重复制造具有直线、倾斜、分支和分层几何形状的光滑冰结构。
固化树脂中的树枝通道照片。
Garg解释道:“控制如此多的参数是一项挑战。“我们逐渐增加了复杂性。”
“这是一个惊人的成就，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领域，这些领域需要具有复杂通道的微型结构，如微流体和软机器人。”
卡内基梅隆大学的研究人员经常在跨学科团队中合作，解决这类工程和生物挑战。
勒杜克说:“卡耐基梅隆大学的一个精彩之处在于，它把来自不同学科的人聚集在一起，以独特的新方式开发新的方法，解决问题，这正是在这里产生这些令人兴奋的发现的原因。”
研究人员承认了已故的李·韦斯的巨大贡献，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，也是卡内基梅隆机器人研究所的创始成员。
虽然将3D冰制工艺应用于工程应用，如为软机器人创建气动通道，最快在一年之内就可以实现，但将其应用于组织工程的临床将需要更多时间。
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