ETD

• Additive Manufacturing
• Interleukin-18 detection
• SPR sensor

Context and objective of the work
The thesis is focused on the development of a miniaturized optical sensing platform based on Surface Plasmon Resonance (SPR), a physical phenomenon that occurs at the interface between a metal and a dielectric medium when incident light, under appropriate conditions, excites collective oscillations of the metal’s free electrons. This interaction produces a resonance highly sensitive to variations in the refractive index of the surrounding medium, making SPR particularly suitable for label-free biosensing applications. In this context, the work originates from the need to transfer the operating principle of conventional SPR sensors, typically based on prism configurations, toward a compact, planar, and low-cost solution, compatible with the use of polymer optical fibers and with an interrogation system based on a smartphone. In this architecture, the mobile device represents the acquisition node of the system, assuming the role of light source, imaging device, and communication interface toward a remote processing backend.
The general objective of the work is therefore the realization of a portable, disposable, economically sustainable sensing platform, potentially usable even outside the laboratory environment, without sacrificing analytical performance suitable for the detection of clinically relevant biomarkers. To achieve this result, the thesis addresses in an integrated manner three strictly interdependent design levels: the definition of a sensor geometry consistent with the optical and dimensional constraints imposed by the smartphone; the selection of the most suitable additive manufacturing technology for the fabrication of the dielectric substrate; the experimental validation of the entire platform, both from a physical-optical perspective and within a real biosensing context.

Sensor design and fabrication pathway
The developed configuration is a planar waveguide-based SPR sensor with a V-shaped geometry, designed for coupling two polymer optical fibers with a diameter of 1 mm and for adapting to the reduced distance between LED flash and camera typical of mobile devices. The central region of the sensor, characterized by a rhomboidal geometry, represents the active area where the plasmonic phenomenon occurs. The fabrication pathway was defined according to the additive manufacturing classification established by the ISO/ASTM 52900 standard, comparing solutions belonging to three main technological families: Material Extrusion, Powder Bed Fusion, and Vat Photopolymerization. In particular, four technologies were investigated: Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Digital Light Processing (DLP), and Stereolithography (SLA).
After substrate fabrication, the samples were subjected to sputtering for the deposition of a first reflective gold layer, functional to the realization of the waveguide. The sensing groove was subsequently manually filled, using a dedicated syringe, with the photopolymerizable optical adhesive NOA 148, selected for its high transparency, compatibility with the adopted fabrication process, and refractive index suitable for the realization of the waveguide core. During this phase, the input and output optical fibers were inserted and aligned using a dedicated 3D-printed tool to ensure proper centering. Once polymerization was completed, the devices were further metallized with a 60 nm nanofilm, required for activating the SPR response.
Already during the assembly phase, a clear dependence of system behavior on the adopted printing technology emerged. FDM substrates showed good manageability in filling with NOA 148; SLS samples required multiple adhesive applications due to higher porosity; devices obtained via DLP and SLA allowed more regular and uniform filling due to lower surface roughness and porosity. This initial evidence showed that differences induced by the manufacturing process did not only affect device manufacturability, but also directly influenced sensor performance.

Structural, surface, and optical characterization
Experimental characterization was structured on three complementary levels. The first concerned surface wettability, evaluated through contact angle measurements performed using both Milli-Q water and NOA 148, before and after metal coating deposition. Results showed that surface behavior significantly depends on the combination of printing technology, liquid used, and surface treatment. In particular, measurements performed with NOA 148 in the final metallized configuration proved to be the most representative of actual device behavior, as they more faithfully reproduce the conditions present during sensor fabrication.
The second level of analysis concerned the geometric fidelity of the component, examined through SEM observations and metrological analysis of the main functional dimensions. Photopolymer-based technologies exhibited the best overall dimensional accuracy. SLS showed a higher tendency toward overestimation of certain geometries, likely attributable to over-sintering phenomena and thermal diffusion within the powder; DLP, on the other hand, showed more pronounced underestimations in some local features, consistent with shrinkage phenomena during polymerization. SLA exhibited a more stable behavior, with generally smaller dimensional deviations compared to the other examined solutions.
The third level, decisive for selecting the optimal technology, concerned surface roughness and plasmonic response. AFM measurements highlighted significantly higher average roughness values for FDM and SLS compared to DLP and SLA. This difference directly translated into optical performance: SLS sensors achieved the highest sensitivities across the entire investigated refractive index range, followed by FDM and DLP devices. SLA samples were excluded from the final optical comparison, as the high transparency of the substrate promoted spurious light propagation and background signals incompatible with stable and reproducible measurements. Overall, the comparison among different technologies showed that the choice of printing process simultaneously affects geometric accuracy, porosity, wettability, surface topography, and ultimately the quality of the SPR response.

Statistical modeling and interpretation of the role of roughness
To quantitatively describe the relationship between surface topography and sensing performance, experimental data were analyzed using a linear mixed-effects model. In this formulation, sensitivity was assumed as the dependent variable, while the refractive index of the medium and the average surface roughness (Ra) were introduced as fixed effects; a random intercept was associated with each individual sensor to account for intrinsic variability due to fabrication tolerances, metallization, and assembly. This approach allowed separation of the systematic contribution of physical parameters from that related to unavoidable differences among nominally equivalent samples.
The analysis confirmed that the refractive index is the dominant factor in the response, in agreement with SPR theory, but also highlighted a positive and statistically significant effect of surface roughness on sensitivity. In practical terms, this implies that, for a given refractive index, an increase of 1 nm in Ra produces on average an increase of about 11 nm/RIU in device sensitivity. An interaction term between roughness and refractive index was also analyzed but did not prove statistically significant, making an additive description more appropriate. This result represents one of the most relevant outcomes of the thesis, as it shows that, in the specific planar V-shaped waveguide architecture developed, roughness should not be considered merely as a process imperfection, but rather as an actual design parameter for optimizing plasmonic response.

Smartphone-based integration and biosensing validation
Once SLS was identified as the most promising technology for the specific application, a smartphone-based optical interrogation configuration was developed. The system uses a commercial mobile device as light source and detector, a 3D-printed mechanical holder for proper component alignment, two POF patches for optical coupling, and a transmission diffraction grating to convert spectral information into a spatial distribution detectable by the camera. The system adopts a server-side processing paradigm, developed by Prof. Nunzio Cennamo and Eng. Francesco Arcadio at the University of Campania Luigi Vanvitelli – Department of Engineering, which enables separation between acquisition and processing phases, making the architecture scalable and ready for future cloud-based developments. In this context, signal processing is handled by a backend server developed in Python, based on a REST interface via Flask, using OpenCV for image preprocessing and dedicated libraries for visualization and signal analysis.
Final validation of the platform was performed on the immunological biomarker interleukin-18. In this phase, the SLS sensor was selected and the plasmonic surface was modified through a multilayer structure including a high refractive index photoresist and an Ag/Au bilayer, in order to shift the resonance toward wavelengths compatible with the smartphone LED. The chip was then functionalized through lipoic acid, carbodiimide activation, and immobilization of anti-interleukin-18 antibodies. Tests conducted in the concentration range between 1 and 100 pM yielded spectra with a well-defined resonance dip and a systematic shift of the response with increasing analyte concentration. These results demonstrate that the proposed platform is not only an optical proof-of-concept, but also possesses a concrete capability for label-free detection of biomarkers at picomolar concentrations, confirming the effective transferability of the architecture toward portable diagnostic applications.

Conclusions
Overall, the thesis demonstrates the feasibility of a portable SPR platform obtained through the integration of additive manufacturing, planar sensors, and smartphone-based interrogation. The main contribution lies in showing that the choice of printing technology does not only affect substrate manufacturability, but substantially modifies the optical behavior of the sensor through parameters such as roughness, porosity, wettability, and geometric fidelity. Among the investigated technologies, SLS proved to be the most effective for the specific application, as it ensured the best compromise between fabrication process, waveguide interaction, and plasmonic sensitivity.
The work therefore provides a solid experimental and methodological foundation for the development of compact, low-cost, and connected diagnostic devices, potentially usable in telemedicine, decentralized monitoring, and Point-of-Care Testing contexts. Future developments outlined in the thesis include refinement of biochemical functionalization, extension of the platform to other immunological biomarkers, and further geometric optimization of the sensor for even more efficient smartphone integration. From an application perspective, the work also highlights how the combination of additive manufacturing and distributed optical interrogation can contribute to bridging the gap between advanced laboratory sensing and truly deployable diagnostic tools. In this perspective, the thesis does not merely propose a single sensor, but outlines a true platform architecture, modular, upgradable, and oriented toward next-generation telemonitoring and decentralized diagnostics systems.
The relevance of the work also lies in its methodological value: the entire experimental pathway demonstrates that the design of a portable biosensor cannot be reduced to the mere definition of geometry or surface chemistry, but must coherently integrate materials, manufacturing process, optical architecture, interrogation strategy, and data processing chain. It is precisely this multilevel integration that makes the proposed platform particularly significant in view of potential real-world application.

Contesto e obiettivo del lavoro
La tesi è incentrata sullo sviluppo di una piattaforma sensoristica ottica miniaturizzata basata sulla Surface Plasmon Resonance (SPR), un fenomeno fisico che si manifesta all’interfaccia tra un metallo e un mezzo dielettrico quando la luce incidente, in condizioni opportune, eccita oscillazioni collettive degli elettroni liberi del metallo. Tale interazione determina una risonanza altamente sensibile alle variazioni dell’indice di rifrazione del mezzo circostante, rendendo la SPR particolarmente adatta ad applicazioni biosensoristiche label-free. In questo contesto, il lavoro nasce dall’esigenza di trasferire il principio operativo dei sensori SPR convenzionali, tipicamente fondati su configurazioni prismatiche, verso una soluzione compatta, planare e a basso costo, compatibile con l’impiego di fibre ottiche polimeriche e con un sistema di interrogazione basato su smartphone. In tale architettura, il dispositivo mobile rappresenta il nodo di acquisizione del sistema, assumendo il ruolo di sorgente luminosa, dispositivo di imaging e interfaccia di comunicazione verso un backend remoto di elaborazione.
L’obiettivo generale del lavoro consiste quindi nella realizzazione di una piattaforma di sensing portatile, monouso, economicamente sostenibile e potenzialmente utilizzabile anche al di fuori dell’ambiente di laboratorio, senza rinunciare a prestazioni analitiche adeguate al rilevamento di biomarcatori di interesse clinico. Per perseguire questo risultato, la tesi affronta in modo integrato tre livelli progettuali strettamente interdipendenti: la definizione di una geometria del sensore coerente con i vincoli ottici e dimensionali imposti dallo smartphone; la selezione della tecnologia di manifattura additiva più idonea alla fabbricazione del substrato dielettrico; la validazione sperimentale dell’intera piattaforma, sia dal punto di vista fisico-ottico sia in un contesto biosensoristico reale.

Progettazione del sensore e percorso di fabbricazione
La configurazione sviluppata è un sensore SPR planare a guida d’onda con geometria a V, progettato per l’accoppiamento di due fibre ottiche polimeriche da 1 mm di diametro e per l’adattamento alla ridotta distanza tra flash LED e fotocamera tipica dei dispositivi mobili. La regione centrale del sensore, caratterizzata da una geometria romboidale, rappresenta l’area attiva in cui si instaura il fenomeno plasmonico. Il percorso di fabbricazione è stato impostato secondo la classificazione della manifattura additiva definita dalla norma ISO/ASTM 52900, confrontando soluzioni appartenenti a tre famiglie tecnologiche principali: Material Extrusion, Powder Bed Fusion e Vat Photopolymerization. In particolare, sono state investigate quattro tecnologie: Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Digital Light Processing (DLP), Stereolithography (SLA).
Dopo la fabbricazione dei substrati, i campioni sono stati sottoposti a sputtering per la deposizione di un primo strato d’oro riflettente, funzionale alla realizzazione della guida d’onda. La scanalatura sensibile è stata successivamente riempita manualmente, mediante apposita siringa, con l’adesivo ottico fotopolimerizzabile NOA 148, selezionato per la sua elevata trasparenza, per la compatibilità mostrata nel processo di fabbricazione adottato e per l’indice di rifrazione adeguato alla realizzazione del core della guida d’onda. In questa fase sono state inserite e allineate le fibre ottiche di ingresso e di uscita, impiegando un apposito tool stampato in 3D al fine di garantire il corretto centraggio. Una volta completata la polimerizzazione, i dispositivi sono stati ulteriormente metallizzati con un nanofilm di 60 nm, necessario per l’attivazione della risposta SPR.
Già durante la fase di assemblaggio è emersa una chiara dipendenza del comportamento del sistema dalla tecnologia di stampa adottata. I substrati FDM hanno mostrato una buona gestibilità del riempimento con NOA 148; i campioni SLS hanno richiesto applicazioni multiple dell’adesivo a causa della maggiore porosità; i dispositivi ottenuti mediante DLP e SLA hanno invece consentito riempimenti più regolari e uniformi grazie alla minore rugosità e alla minore porosità superficiale. Questo primo riscontro ha mostrato che le differenze indotte dal processo produttivo non riguardavano esclusivamente la fabbricabilità del dispositivo, ma influenzavano direttamente anche le prestazioni del sensore.

Caratterizzazione strutturale, superficiale e ottica
La caratterizzazione sperimentale è stata articolata su tre livelli complementari. Il primo ha riguardato la bagnabilità superficiale, valutata mediante misure di angolo di contatto eseguite sia con acqua Milli-Q sia con NOA 148, prima e dopo la deposizione del rivestimento metallico. I risultati hanno mostrato che il comportamento superficiale dipende in maniera significativa dalla combinazione tra tecnologia di stampa, liquido impiegato e trattamento superficiale. In particolare, la misura effettuata con NOA 148 nella configurazione metallizzata finale si è rivelata la più rappresentativa del comportamento reale del dispositivo, poiché riproduce con maggiore fedeltà le condizioni presenti durante la fabbricazione del sensore.
Il secondo livello di analisi ha riguardato la fedeltà geometrica del componente, esaminata mediante osservazioni SEM e analisi metrologica delle principali quote funzionali. Le tecnologie fotopolimeriche hanno evidenziato la migliore accuratezza dimensionale complessiva. La SLS ha mostrato una maggiore tendenza alla sovrastima di alcune geometrie, verosimilmente riconducibile a fenomeni di over-sintering e diffusione termica nella polvere; la DLP ha invece evidenziato sottostime più marcate in alcune quote locali, compatibili con i fenomeni di ritiro durante la polimerizzazione. La SLA ha manifestato un comportamento più stabile, con deviazioni dimensionali generalmente più contenute rispetto alle altre soluzioni esaminate.
Il terzo livello, decisivo per la selezione della tecnologia ottimale, ha riguardato la rugosità superficiale e la risposta plasmonica. Le misure AFM hanno evidenziato valori medi di rugosità significativamente più elevati per FDM e SLS rispetto a DLP e SLA. Tale differenza si è tradotta direttamente nelle prestazioni ottiche: i sensori SLS hanno raggiunto le sensibilità più elevate nell’intero intervallo di indice di rifrazione investigato, seguiti dai dispositivi FDM e DLP. I campioni SLA sono stati esclusi dalla comparazione ottica finale, poiché l’elevata trasparenza del substrato ha favorito propagazioni spurie della luce e segnali di fondo incompatibili con una misura stabile e riproducibile. Nel complesso, il confronto tra le diverse tecnologie ha mostrato che la scelta del processo di stampa incide simultaneamente su accuratezza geometrica, porosità, bagnabilità, topografia superficiale e, in ultima analisi, sulla qualità della risposta SPR.

Modellazione statistica e interpretazione del ruolo della rugosità
Per descrivere quantitativamente il legame tra topografia superficiale e prestazioni sensoriali, i dati sperimentali sono stati analizzati mediante un modello lineare a effetti misti. In tale formulazione la sensibilità è stata assunta come variabile dipendente, mentre l’indice di rifrazione del mezzo e la rugosità superficiale media (Ra) sono stati introdotti come effetti fissi; al singolo sensore è stata invece associata un’intercetta casuale, così da tenere conto della variabilità intrinseca dovuta a tolleranze di fabbricazione, metallizzazione e assemblaggio. Questa impostazione ha consentito di separare il contributo sistematico dei parametri fisici da quello legato alle inevitabili differenze tra campioni nominalmente equivalenti.
L’analisi ha confermato che l’indice di rifrazione rappresenta il fattore dominante della risposta, in accordo con la teoria SPR, ma ha anche evidenziato un effetto positivo e statisticamente significativo della rugosità superficiale sulla sensibilità. In termini applicativi, ciò implica che, a parità di indice di rifrazione del mezzo, un aumento di 1 nm di Ra produce in media un incremento di circa 11 nm/RIU nella sensibilità del dispositivo. È stato ulteriormente analizzato un termine di interazione tra rugosità e indice di rifrazione ma non è risultato statisticamente significativo, rendendo più appropriata la descrizione di tipo additiva. Questo risultato costituisce uno degli esiti più rilevanti della tesi, poiché mostra che, nella specifica architettura planare a guida d’onda a V sviluppata, la rugosità non deve essere considerata esclusivamente come imperfezione di processo, ma assume il ruolo di vero parametro progettuale per l’ottimizzazione della risposta plasmonica.

Integrazione smartphone-based e validazione biosensoristica
Una volta identificata nella SLS la tecnologia più promettente per l’applicazione specifica, è stata sviluppata una configurazione di interrogazione ottica basata su smartphone. Il sistema utilizza un dispositivo mobile commerciale come sorgente luminosa e rivelatore, un supporto meccanico stampato in 3D per il corretto allineamento dei componenti, due patch di POF per il collegamento ottico e un reticolo di diffrazione a trasmissione per convertire l’informazione spettrale in una distribuzione spaziale acquisibile dalla fotocamera. Il sistema adotta un paradigma di elaborazione lato server, sviluppato dal Prof. Nunzio Cennamo e dall’Ing. Francesco Arcadio presso l’Università degli Studi della Campania Luigi Vanvitelli – Dipartimento di Ingegneria, che consente di separare la fase di acquisizione da quella di processamento, rendendo l’architettura scalabile e predisposta a futuri sviluppi cloud-based. In tale contesto, l’elaborazione del segnale è affidata a un backend server-side sviluppato in Python, basato su interfaccia REST tramite Flask, con impiego di OpenCV per la pre-elaborazione delle immagini e di librerie dedicate per la visualizzazione e l’analisi del segnale.
La validazione finale della piattaforma è stata eseguita sul biomarcatore immunologico interleuchina-18. In questa fase è stato selezionato il sensore SLS e la superficie plasmonica è stata modificata mediante una struttura multistrato comprendente un photoresist ad alto indice di rifrazione e un bilayer Ag/Au, così da traslare la risonanza verso lunghezze d’onda compatibili con il LED dello smartphone. Il chip è stato quindi funzionalizzato attraverso acido lipoico, attivazione carbodiimmidica e immobilizzazione di anticorpi anti-interleuchina-18. I test, condotti nel range di concentrazione compreso tra 1 e 100 pM, hanno restituito spettri con dip di risonanza ben definito e uno spostamento sistematico della risposta al crescere della concentrazione dell’analita. Ne emerge che la piattaforma proposta non rappresenta soltanto un proof-of-concept ottico, ma possiede una concreta capacità di rilevamento label-free di biomarcatori a concentrazioni picomolari, dimostrando l’effettiva trasferibilità dell’architettura verso applicazioni diagnostiche portatili.

Conclusioni
Nel complesso, la tesi dimostra la fattibilità di una piattaforma SPR portatile ottenuta mediante l’integrazione di manifattura additiva, sensori planari e interrogazione smartphone-based. Il contributo principale del lavoro risiede nell’avere mostrato che la scelta della tecnologia di stampa non influenza soltanto la realizzabilità del substrato, ma modifica in maniera sostanziale il comportamento ottico del sensore attraverso parametri quali rugosità, porosità, bagnabilità e fedeltà geometrica. Tra le tecnologie investigate, la SLS è risultata la più efficace per l’applicazione specifica, poiché ha garantito il miglior compromesso tra processo di fabbricazione, interazione con la guida d’onda e sensibilità plasmonica.
Il lavoro fornisce pertanto una base sperimentale e metodologica solida per lo sviluppo di dispositivi diagnostici compatti, economici e connessi, potenzialmente impiegabili in contesti di telemedicina, monitoraggio decentralizzato e Point-of-Care Testing. Gli sviluppi futuri indicati nella tesi riguardano il perfezionamento della funzionalizzazione biochimica, l’estensione della piattaforma ad altri biomarcatori immunologici e l’ulteriore ottimizzazione geometrica del sensore, in vista di un’integrazione ancora più efficiente con lo smartphone. Sotto il profilo applicativo, il lavoro evidenzia inoltre come la combinazione tra fabbricazione additiva e interrogazione ottica distribuita possa contribuire a ridurre il divario tra sensoristica avanzata di laboratorio e strumenti diagnostici realmente trasferibili sul territorio. In questa prospettiva, la tesi non propone soltanto un singolo sensore, ma delinea una vera architettura di piattaforma, modulare, aggiornabile e orientata verso sistemi di telemonitoraggio e diagnostica decentralizzata di nuova generazione.
L’interesse del lavoro risiede quindi anche nella sua valenza metodologica: l’intero percorso sperimentale mostra come la progettazione di un biosensore portatile non possa essere ridotta alla sola definizione della geometria o della chimica superficiale, ma debba integrare in modo coerente materiali, processo produttivo, architettura ottica, strategia di interrogazione e catena di elaborazione del dato. È proprio questa integrazione multilivello a rendere la piattaforma proposta particolarmente significativa ai fini di un possibile trasferimento applicativo.