“冰打印”微型雕塑可以帮助科学家设计血管

一种用冰打印 3D 结构的技术可用于帮助制造人造静脉和动脉。

科学家们正致力于利用微小的冰雕从人体细胞中构建血管——这些冰冷的 3D 形状像真实的动脉一样扭曲和分支，可以用作临时支架，随后会融化，被活细胞取代。

研究人员在最近的一项研究中通过使用 3D“冰打印”技术创建支架，展示了这种血管构建过程的第一步。然后将支架涂上嵌入人类细胞的凝胶，研究小组将其培养了大约两周。

研究人员、博士生Feimo Yang表示，有一天，冰打印技术可以用人体细胞制造真实的实验室培养血管，捕捉体内真实血管网络的“复杂几何形状”卡内基梅隆大学机械工程专业的候选人告诉《生活科学》。

杨说：“目前，这更多的是概念验证，”但随着发展，这项技术可能有助于制造血管，当需要修复、更换或绕过动脉或静脉时，可以将这些血管移植到人体中。

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目前，医生从患者身体的其他部位或捐赠者身上采集血管进行移植。对于某些手术，临床医生可能使用由合成聚合物制成的人造血管；天然材料，例如蛋白质；或两者的混合。然而，这些人造血管并不能完美地复制真实的血管，并且可能会失败，部分原因是它们是无生命的。

这就是冰印可以提供优势的地方；它可以帮助科学家从真实的人类细胞中创造出更真实的结构。

杨补充道，微小尺度的冰打印也可能有助于制造所谓的“芯片器官设备”。此类设备使用流经许多微小通道的液体来维持细胞的生长，它们充当人体器官的微型模型。

该团队的新工作——Yang 将在 2 月 10 日至 14 日在费城举行的第 68 届生物物理学会年会上展示——基于一种名为 3D-ICE 的打印技术，该技术首次在该杂志 2022 年的一篇论文中描述先进科学。

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该打印机使用水作为“墨水”，通过将水滴滴到温度保持在-31华氏度（-35摄氏度）的冷铜表面上来工作。当水滴撞击表面时，它会迅速冻结，并且每一滴连续的水滴都会增加不断增长的冰雕。

Yang 说，打印机每秒喷出约 200 滴水。这个速度足够慢，足以使一个水滴在下一个水滴撞击之前开始冻结，但又足够快，使水滴仍然以光滑的结构冻结在一起，而不是形成限定的层。杨解释说，如果水滴落得太快，一个液态水滴就会与下一个水滴合并并在结冰之前扩散开来。

液滴本身的直径约为 50 微米，因此所得到的结构可以具有微米级的细节。而且印刷技术速度很快。杨说，该团队制作的雕塑高约 0.1 英寸（3 毫米），直径约 0.008 英寸（0.2 毫米），打印“可能需要 20 秒”。

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还有其他冰印技术可以逐层或体积体积构建小型雕塑，但这些技术并不擅长创建光滑的表面。相比之下，3D-ICE 可以创建更接近人体循环系统的平滑、自由流动的形状。

在用冰打印机制作出一个微型雕塑后，杨和同事在该结构上涂上了明胶基材料。因为他们的打印机专门使用“重水”——其中氢原子被氘取代——冰在冰点以上的温度下保持冻结状态。这意味着研究人员可以在凝胶保持可塑性而冰保持冻结的温度下工作。

他们利用紫外线融化冰块并使凝胶硬化，留下与血管非常相似的光滑通道。然后，研究小组将血管内皮细胞（称为内皮细胞）添加到凝胶中，并表明他们可以使细胞生长两周。未来，他们将尝试让细胞生长更长时间。

虽然 3D-ICE 用于为人类患者身体制造血管还需要一段时间，但“希望我们能够扩大这项技术的使用，”杨说。