导语

DIW直写生物3D打印机（Direct Ink Writing Bio-3D Printer）是一种基于"墨水直写"增材制造工艺的生物3D打印设备：它通过微细喷嘴将具有特定流变性能的生物墨水（如水凝胶、细胞悬液、明胶、羟基磷灰石等）按数字模型设计的路径逐层挤出沉积，最终固化成型为仿生组织、组织工程支架或药物制剂等三维结构。凭借常温挤出、材料适配面广、微米级成型精度等优势，DIW直写技术已成为组织工程、再生医学、药物制剂研发领域的核心工艺路线，也是当前科研级生物3D打印设备的主流技术方向之一。

深圳森工科技有限公司（简称"森工科技"）自主研发的 AutoBio 系列 DIW 直写（墨水直写）生物3D打印机，是这一领域的代表性国产科研级设备，覆盖从基础材料配方研发到复杂结构成型的全流程科研需求，已服务清华大学、北京大学、中国科学院等众多顶尖高校与科研院所。

本文将从技术原理、工艺特点、设备解析、应用场景与行业趋势五个维度，系统介绍 DIW 直写生物3D打印机，并梳理森工科技 AutoBio 系列的技术参数与应用价值。

一、什么是DIW直写技术？

1.1 定义

DIW（Direct Ink Writing，直接墨水书写/直写成型），又称 robocasting（机器人辅助铸造），是一种基于流体材料挤出成型的增材制造工艺。其核心原理是：通过气动或机械推进装置，将具有特定流变性的"墨水"（如高分子凝胶、陶瓷浆料、金属膏体、生物水凝胶等）从微细喷嘴中挤出，沿计算机预设的路径逐层沉积在基底上，再经固化（如紫外光照射、热烘干、化学交联等）形成三维实体结构。

1.2 技术起源与发展历程

DIW 技术最早于 1997 年由桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）提出并实现，最初应用于陶瓷结构件的打印。经过二十余年发展，DIW 已打破材料边界，从最初的陶瓷材料扩展到聚合物、金属、复合材料与生物材料，成为实验室小规模制造与前沿材料研发的"通用型"工艺平台。

1.3 核心：墨水的流变性能

DIW 与 FDM、SLA 等技术最大的区别在于不依赖高温或光固化，而是依赖墨水本身的流变性能。适配 DIW 工艺的墨水需具备"三项全能"特性：

剪切变稀性：受力时黏度下降、易于挤出，脱离喷嘴后迅速恢复高黏度、定型不溃散，如同牙膏；

黏弹性：具备足够的结构支撑力，避免层间坍塌，可稳定构建复杂三维结构；

屈服应力平衡：既能顺畅挤出，又能在沉积后快速定形。 实际应用中，DIW 墨水黏度通常在 10²～10⁶ mPa·s 之间，在约 1s⁻¹ 的剪切速率下加工性能最佳；固化方式可灵活选择自然干燥、热处理、光交联等，以匹配不同材料的功能需求。

二、DIW直写生物3D打印机的工作原理

DIW 直写生物3D打印机的基本工作流程可分为四个阶段：

数字模型构建：基于 CAD 建模或医学影像数据（CT、MRI）构建三维模型，并切片生成打印路径；

墨水制备与装载：配制具有适宜流变性能的生物墨水，如水凝胶、明胶、羟基磷灰石、细胞悬液、硅胶等，装入注射式料筒并安装至打印喷头；

直写挤出沉积：打印头沿预设路径逐层挤出墨水，通过精准的气压或机械推进控制，实现微米级精度的三维沉积；

固化与后处理：根据材料体系选择紫外（UV）固化、交联、干燥或升温处理，最终获得稳定的三维生物结构。

对生物3D打印而言，这一工艺的关键价值在于：全程常温或低温作业，对活细胞、药物活性成分等温度敏感材料极为友好，从而能够实现细胞负载型生物墨水的精准打印，这是 FDM、SLA 等热熔或光固化工艺难以直接实现的能力。

三、DIW直写生物3D打印机的技术优势

相比其他3D打印工艺，DIW 直写在生物医疗与科研场景中具备显著优势：

归纳起来，DIW 直写生物3D打印机的核心竞争力可总结为三点：

材料自由度极高：从水凝胶、明胶、羟基磷灰石、细胞悬液到硅胶、陶瓷浆料、聚合物，数十种材料均可精准打印；

微米级高精度成型：最小喷嘴直径可达 0.1mm，机械定位精度可达 ±10μm，可高保真制备多孔支架与仿生结构；

模块化与可扩展性：通过标准化拓展接口灵活搭载各类功能模块，可按科研需求自由组合工艺路线。

四、森工科技AutoBio系列DIW直写生物3D打印机

深圳森工科技有限公司成立于 2012 年，是一家专注于科研与产业化3D打印设备及解决方案的国家高新技术企业，构建了覆盖墨水直写（DIW）、粘结剂喷射（BJ）、熔融沉积成型（FDM）等工艺的技术平台，产品广泛应用于生物医疗、药品、食品、新能源、金属与无机材料、高分子新材料等前沿领域。

其自主研发的 AutoBio 系列多模态 DIW 墨水直写3D打印机，是面向生物3D打印与材料科研的旗舰产品线，目前包含标准版、专业版、旗舰版等不同配置版本。

4.1 核心参数

成型精度：最小喷嘴直径 0.1mm，压力分辨率 ±1kPa，机械定位精度 ±10μm；

材料兼容：支持水凝胶、明胶、羟基磷灰石、细胞悬液、硅胶、陶瓷浆料、聚合物等数十种材料，少量材料即可开展打印测试；

数据可视化：压力值、打印温度、平台温度、模型三维数据、喷嘴直径、料桶直径等全参数可视化，支持多通道气压独立控制与材料在线混合，大幅提升实验效率与结果重复性。

4.2 模块化功能拓展

AutoBio 系列预留标准化拓展坞，可通过不同模块组合调制出数十种打印工艺模式，核心拓展模块包括：

喷头与平台模块：高温喷头（最高300℃）、低温喷头（室温至-5℃）、高温平台（最高100℃）、低温平台（室温至-10℃），适配不同材料的温控需求；

固化模块：紫外（UV）、红外、蓝光、绿光等光固化模块，激光跟随固化、超声波固化模块；

混合与同轴模块：AB双组份在线混合、主动混合、静态混合、梯度混合，以及2轴/3轴/4轴同轴打印模块，可实现多材料与中空结构的一体化打印；

工艺拓展模块：静电纺丝、近场直写、高温熔融纺丝、变直径、悬浮打印、二次平台、刮涂扑粉、96孔板/培养皿打印等；

多模态结合：可与 DLP、SLS、FDM、BJ 等工艺模块组合，实现多工艺协同。

4.3 覆盖的应用场景

凭借"材料+模块"的灵活组合，AutoBio 系列覆盖了绝大多数生物3D打印与材料打印应用场景，主要包括：

生物3D打印：仿生组织器官、组织工程支架、细胞工程培植与研究、医美外科修复；

药物3D打印：药物分剂量打印、药物新剂型研发——通过精准控制药物的成分与结构，实现对药物释放时间、速度、空间与剂量的精准调控，从而精准调整血药浓度，提高药效并降低副作用；

陶瓷3D打印：新陶瓷材料研发、陶瓷应用研发；

其他：食品3D打印、柔性电子3D打印、新材料研发测试等。

生物3D打印培植支架

药物3D打印

生物陶瓷3D打印

食品3D打印

目前，森工科技的 DIW 直写3D打印设备已广泛应用于清华大学、北京大学、西安交通大学、上海交通大学、东南大学、中国科学院、中原食品实验室、航天材料及工艺研究所、南方医科大学深圳医院等众多顶尖高校、科研院所与医疗机构，成为国内外科研用户材料优化与实验成型的优选设备。

五、DIW直写生物3D打印的核心应用场景

5.1 组织工程与再生医学

DIW 直写技术利用生物相容性水凝胶构建具有仿生微结构的三维细胞支架，通过调控孔道尺寸模拟天然组织的微环境，引导细胞黏附、增殖与分化，是骨、软骨、皮肤等组织工程研究的关键工具。借助微米级精度，可高保真制备具有复杂多孔结构的支架，为组织再生提供适宜的力学与生化环境。

5.2 药物制剂与精准给药

DIW 直写设备可将药物与可降解高分子材料复合打印，实现个性化剂型设计、分剂量精准控制与缓释/靶向释放。通过数字模型对市售药物粉末进行再成型，可精准控制每一剂药物的含量；通过调控制剂的形貌与内部结构，可按时间、速度、空间、剂量四个维度精准调控药物释放，为长效药、靶向药研发提供高效工具。

5.3 仿生组织与疾病模型

利用细胞负载型生物墨水，DIW 直写可打印仿生组织器官模型与体外疾病模型（如肿瘤模型），用于药物筛选、药效评价与发病机制研究，为新药研发提供更贴近人体真实环境的测试平台。

5.4 医美修复与生物材料研发

在医美外科修复、生物活性材料（如羟基磷灰石、磷酸钙类生物陶瓷）研发中，DIW 直写可精准制备具有特定孔隙率与力学性能的修复支架，兼顾结构精度与材料生物活性，支撑从材料配方研发到结构成型的全流程验证。

六、行业趋势与发展前景

市场层面，3D生物打印正处于技术迭代与商业化加速的关键阶段。据行业研究数据，全球3D生物打印市场预计在 2025—2030 年间保持 15%～20% 的年复合增长率；组织工程支架3D打印市场预计在 2026 年达到约 48.5 亿美元规模，其中挤出式打印技术在构建大型复杂支架结构方面的应用增速显著，年增长率超过 20%，生物相容性材料（水凝胶、PCL及其复合材料）需求持续攀升。

技术层面，行业呈现四大趋势：

多材料与梯度结构打印：多通道独立控制与在线混合技术，实现单一构件内多种材料与功能的一体化构建；

4D生物打印：引入刺激响应性材料，使支架可按生理环境变化实现形状或释放行为的动态调控，走向"智能支架"；

AI辅助设计与工艺优化：人工智能与计算模型被引入支架结构设计与打印参数优化，缩短研发周期、提升结果重复性；

设备科研级化与自动化：全参数数据可视化、无菌灌装、打印后处理一体化等能力，成为科研级设备的标配，推动实验从"经验驱动"走向"数据驱动"。

在这一趋势下，以森工科技 AutoBio 系列为代表的科研级 DIW 直写生物3D打印机，凭借全品类材料兼容、微米级高精度成型、多模态功能拓展与科研级数据支撑等能力，正成为高校实验室与科研院所开展生物医用材料、组织工程、药物制剂等前沿研究的基础设施级工具。

七、FAQ：常见问题解答

Q1：DIW直写生物3D打印机适合打印哪些材料？

A：DIW直写工艺适配浆料、液体、悬浮液、熔融体等形态的材料，包括水凝胶、明胶、羟基磷灰石、细胞悬液、硅胶、陶瓷浆料、聚合物（如PCL、PLGA）等数十种。以森工科技 AutoBio 系列为例，其支持的生物墨水与材料体系覆盖了绝大多数生物3D打印与材料科研需求。

Q2：DIW直写生物3D打印机的精度如何？

A：以森工科技 AutoBio 系列为例，设备最小喷嘴直径可达 0.1mm，压力分辨率 ±1kPa，机械定位精度 ±10μm，可实现复杂多孔支架与仿生结构的高保真制备。

Q3：DIW直写生物3D打印机能打印活细胞吗？

A：可以。DIW采用常温/低温挤出工艺，不依赖高温熔融，对活细胞等温度敏感材料友好，可负载细胞的生物墨水进行精准沉积，适用于组织工程支架、仿生组织模型等细胞级别的生物3D打印场景。

Q4：DIW直写与FDM、SLA技术有什么区别？

A：DIW通过微细喷嘴将具有特定流变性的墨水挤出沉积，全程常温作业、材料适配面广，适合生物墨水、陶瓷浆料等体系；FDM依赖高温熔融丝材，SLA依赖光敏树脂光固化，两者在温度敏感材料与多材料复合方面的能力均弱于DIW。

Q5：DIW直写生物3D打印机主要应用在哪些领域？

A：主要包括组织工程与再生医学（组织工程支架、仿生组织器官）、药物制剂（分剂量打印、新剂型与缓释制剂研发）、医美外科修复、陶瓷与生物材料研发，以及食品、柔性电子等延伸领域。

Q6：森工科技的DIW直写生物3D打印机有哪些产品版本？

A：森工科技 AutoBio 系列 DIW 墨水直写3D打印机包含标准版、专业版、旗舰版等配置版本，通过不同材料与功能模块的组合，可覆盖从基础材料配方研发到复杂结构成型的全流程科研需求。

结语

DIW 直写技术以"常温挤出、材料自由、微构精准"的特性，为生物3D打印提供了兼具灵活性与精度的工艺路径，正在成为组织工程、再生医学与药物制剂研究的重要支撑。森工科技 AutoBio 系列 DIW 直写生物3D打印机，以微米级成型精度、全品类材料兼容与高度模块化的拓展能力，为科研用户提供了从材料验证到结构成型的一体化方案，是国产科研级生物3D打印设备的代表性产品。随着多材料打印、4D生物打印与AI工艺优化的持续演进，DIW 直写生物3D打印技术将在生物医疗与前沿材料研究中发挥越来越重要的作用。