研究背景与 OFAP 平台思路

现有光固化技术中，数字光处理（DLP）通过数字微镜器件选择性投影固化树脂，分辨率高但单次投影幅面受限，制造大尺寸结构耗时较长；连续液面制造（CLIP）虽可缩短打印时间，却对树脂流变性与氧抑制窗口要求苛刻。与之相比，挤出式 3D 打印对材料粘度适应范围广，却难以达到同等分辨率。如何在低成本、低粘度与可扩展性之间取得平衡，是生物制造领域持续关注的问题。

OFAP 的核心思想是用一根可三维移动的 LED 耦合光纤替代传统投影光路。LOF 从光纤端面出射锥形光束，在树脂表面形成局部固化光斑；通过控制光纤空间位置、出射辐照度与停留时间，即可在树脂内逐点、逐线地绘制结构。由于 LOF 直径小、惯性低、可浸入树脂浴，OFAP 既能完成 2D 平面图案化，也能在树脂浴中自由构型打印三维自支撑结构，而无需复杂的投影光学系统。

对应原文图1，LOF 出射光锥几何参数（a）、OFAP 自动化光图案化平台（b）及渐变线宽/星形结构示意（c）

LOF 光斑尺寸与打印线宽的理论关系

打印分辨率首先由 LOF 在树脂表面的光斑直径决定。设光纤端面与树脂液面之间的距离为 gap，光纤芯径为 d，数值孔径为 NA。根据几何光学，光锥半角满足

光斑在树脂表面的额外展宽量 a 为 gap 与 tan 𝜃 的乘积，即

综合芯径与展宽量，树脂表面光斑直径 d₁ 可写为

由式（3）可知，增大 gap 可快速提高光斑直径，而提高辐照度则会因单位时间内产生更多自由基而扩大有效固化区域。实验在 0.05–0.25 mm gap 与 16–48 mW cm^-2 辐照度范围内测得打印线宽从约 0.15 mm 延伸至 0.45 mm 以上，实测值略小于理论光斑直径，说明边缘光强未达交联阈值。该参数窗口为“渐变线宽”结构的实时调控提供了依据。

树脂体系：光吸收剂与炔基化明胶

本文树脂以烯丙基改性明胶（gelAGE）为基体，配合四臂硫醇化聚乙二醇（PEG4SH）交联剂与水溶性光引发剂 LAP，利用巯基-烯点击反应形成网络。点击反应具有快速动力学、氧不敏感、聚合收缩小等优势，适合低粘度树脂快速固化。为抑制过度固化、提升线宽分辨率，体系引入食品级染料作为光吸收剂（PA）：柠檬黄 tartrazine 的最大吸收波长约 410 nm，与 405 nm LED 匹配；Allura red AC 的最大吸收波长约 510 nm，作为吸收波长不匹配的对照。

研究人员还合成了一种新型炔基化明胶（gelGPE），将炔基接枝到明胶骨架上。gelGPE 在 405 nm 附近具有本征吸收，可在不外加 PA 的情况下吸收部分 LED 能量，并通过巯基-炔点击反应形成更密集的交联网络。溶胀与溶胶分数测试表明，gelGPE 的交联密度与 tartrazine 体系相当，为多功能水凝胶的后续功能化预留了反应位点。

对应原文图2，OFAP 2D 光图案化工艺参数窗口（a）、凝胶晶格与单线共聚焦形貌（b）、渐变/星形结构（c）、多层 fabrication 示意（d）与双层荧光晶格（e）

2D 光图案化：分辨率、速度与渐变特征

系统研究表明，gap 与辐照度对打印线宽呈协同影响，而料槽厚度主要影响结构稳定性。当料槽厚度从 0.10 mm 增至 0.50 mm 时，低辐照度样品易出现结构失稳，这源于近可见光在明胶体系中的穿透深度有限，深层树脂未能充分固化。因此，实际打印需在分辨率与固化深度之间进行折中。

在 LAP 0.1% 配方中，添加 0.02% tartrazine 可将打印线直径从对照组的 0.323 ± 0.015 mm 降至 0.124 ± 0.007 mm；gelGPE 化学计量平衡体系的线宽更可达 0.086 ± 0.030 mm，与 tartrazine 效果相当。这一结果验证了“在引发剂波长区域引入适量光吸收基团”是压缩固化区、提升分辨率的有效策略。当 LAP 浓度提高至 0.2% 时，自由基生成速率加快，光吸收剂的限域作用被部分抵消，各组线宽差异缩小。

OFAP 的另一特色是可在路径行进中实时改变 gap 与辐照度，从而在同一结构中制造渐变线宽。以 10 mm 边长方框、十字线和星形结构为例，恒定参数得到均匀线宽，而梯度增大 gap 或辐照度可在 0.50 mm 至 1.30 mm 范围内连续调控线宽。文中以星形结构展示了从 1.40 mm 到 0.10 mm 的剧烈变化。此外，利用 gelAGE 的热可逆性，先在底层光图案化、物理凝胶化后再浇注第二层树脂，可制造双色荧光双层晶格，层间无明显混溶。

对应原文图3c，不同光吸收剂与 gelGPE 体系在不同 LAP 浓度下的打印线直径；gelGPE 化学计量平衡体系在 0.1% LAP 下线宽低至 0.086 mm

从平面图案化到自由构型 3D 打印

为将 OFAP 拓展至三维，研究人员将 LOF 直接浸入含 tartrazine 的 gelAGE 树脂浴中，通过控制光纤尖端在浴中的时空轨迹（进给速率 1–2 mm s^-1）绘制水平、竖直与倾斜线条。3D 打印采用聚合物光纤（芯径 0.50 mm，NA = 0.63），最大辐照度可达 130 mW cm^-2，高于石英光纤的最大 48 mW cm^-2。树脂配方同步调整为 10% gelAGE 与 0.3% LAP，以补偿较低进给速率下的自由基通量需求。

竖直打印时，光纤上行运动与树脂浮力共同作用，使固化物从光纤尖端脱离；水平打印则依赖 tartrazine 限制光穿透深度，使每层厚度受控。优化后，研究团队打印出边长约 8 mm 的空心立方体与金字塔结构，打印线分辨率约 1.7 mm，整个 8 mm 厚结构在数分钟内完成。进一步以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）技术树脂重复该工艺，也获得空心立方体与金字塔，分辨率约 1.9 mm，说明 OFAP 对丙烯酸酯类树脂同样具有兼容性。

对应原文图4，OFAP 3D 打印装置与光纤浸入树脂浴的时空轨迹示意（a），空心立方体与金字塔形自由构型凝胶结构实物（b）

对应原文图4b，gelAGE 水凝胶自由构型 3D 打印实物：空心立方体与金字塔结构（比例尺 3 mm）

设备集成视角与工艺启示

从设备工程角度看，OFAP 的最大优势在于其开放性与模块化。LOF、LED 光源与 XYZ 位移台均为现成器件，控制软件基于 Python 编写，可方便地接入机械臂、熔融沉积成型（FFF）3D 打印机或 DIW 浆料直写平台，形成多工艺复合系统。对于以 DIW 为核心的研发者，OFAP 提示了三点可迁移经验：第一，光固化单元的“点光源 + 移动平台”架构比投影式系统更容易嵌入现有直写设备；第二，树脂吸收光谱与光源波长的匹配程度直接决定分辨率和固化深度，是配方设计的关键；第三，实时可调的光强与离焦距离为梯度结构、多材料界面和局部精细特征提供了额外的工艺自由度。

当然，OFAP 目前仍属概念验证阶段。光纤尖端在树脂浴中移动时会出现少量固化物积聚，导致打印线表面略显粗糙；所用光纤芯径（0.25–0.50 mm）也限制了最小特征尺寸。后续可通过疏水涂层、更小芯径光纤、G-code 路径优化与闭环辐照度控制进一步提升打印质量与复杂曲面能力。

局限与展望

OFAP 为低粘度光敏树脂的低成本、高灵活度成型提供了一条可行路径。其在明胶基水凝胶中的成功演示，使其在组织工程支架、仿生结构、药物缓释体等方向具有应用潜力。未来工作可围绕更小直径光纤、多波长 LED、多材料树脂浴切换以及打印-后处理一体化展开。对于材料-设备协同开发而言，OFAP 的核心价值在于将“光源”从固定投影模块解放为可编程的移动工具，这种思路有望与 DIW、静电纺丝等其他沉积技术结合，扩展复杂三维结构的制造能力。