Dispositivo elettrochimico “plug‑and‑play” stampato in 3D:
Un gruppo di ricerca internazionale ha sviluppato un modulo elettrochimico plug‑and‑play, battezzato MICRO, interamente realizzato tramite stampa 3D e pensato per semplificare l’integrazione di sensori in dispositivi microfluidici e piattaforme organ‑on‑chip.
L’obiettivo è offrire un’unità compatta, facile da assemblare e riconfigurare, in grado di ospitare diversi tipi di sensori elettrochimici senza dover riprogettare ogni volta la parte fluidica o l’elettronica di base.
Architettura modulare e tenuta magnetica
Il cuore del sistema è una cartuccia 3D‑printed composta da più elementi termoplastici che si assemblano grazie a magneti integrati, eliminando la necessità di viti, guarnizioni complesse o colle.
La camera di misura, i canali di flusso e le sedi per i sensori sono stampati in PLA o materiali analoghi, mentre i moduli sensori vengono inseriti come “finger‑tight fittings” standard, così da poterli sostituire o combinare con facilità a seconda dell’applicazione.
La sigillatura magnetica consente al dispositivo di sopportare pressioni fino a oltre 300 kPa senza perdite, rendendo il modulo adatto anche a flussi continui in circuiti microfluidici più complessi.
Questa scelta progettuale mira a ridurre tempi di assemblaggio, errori dovuti alla manualità e problematiche ricorrenti negli alloggiamenti custom stampati in 3D, come deformazioni o micro‑fessure in corrispondenza delle guarnizioni.
Sensori elettrochimici integrati e prestazioni sotto flusso
Nel design MICRO, il modulo ospita termoplastic electrodes (TPE), ossia elettrodi a base termoplastica conduttiva che possono essere fabbricati o integrati con tecniche additive e successivi step di attivazione superficiale.
Il sistema è pensato per supportare configurazioni a tre elettrodi (lavoro, riferimento, controelettrodo), con geometrie adattabili e posizionamento ottimizzato rispetto al canale per mantenere una risposta stabile anche in condizioni di flusso.
I test con voltammetria ciclica (CV) e amperometria, utilizzando ad esempio il sistema redox ferri/ferrocianuro, mostrano una risposta lineare con la concentrazione dell’analita, segno che la cella non introduce turbolenze o zone morte tali da compromettere la misura.
Le misure in flusso continuo confermano la possibilità di monitorare segnali elettrochimici in tempo reale, aprendo all’uso del modulo in esperimenti prolungati su organ‑on‑chip, bioreattori miniaturizzati o sistemi di dosaggio controllato.
Vantaggi per organ‑on‑chip e dispositivi fluidici
La crescita delle tecnologie organ‑on‑chip richiede sensori in grado di misurare, nel tempo, specie chiave (ossigeno, metaboliti, specie redox) senza interrompere l’esperimento o perturbare eccessivamente il microambiente cellulare.
Un modulo plug‑and‑play 3D‑printed come MICRO offre la possibilità di posizionare il sensore lungo il circuito fluidico (a monte, a valle o in loop) in modo flessibile, sostituendo o aggiornando il tipo di elettrodo senza modificare il chip principale.
Questa architettura riduce la dipendenza da design proprietari di chip con sensori integrati in modo permanente, e permette ai laboratori di combinare chip esistenti con nuovi moduli di sensing sviluppati in parallelo.
Inoltre, la costruzione tramite stampa 3D semplifica la personalizzazione delle geometrie dei canali e dei volumi interni, rendendo più immediato adattare il dispositivo a fluidi con viscosità diverse o a range di portata specifici.
Stampa 3D per dispositivi elettrochimici: contesto e sviluppi correlati
Il lavoro su MICRO si inserisce in una linea più ampia di ricerca sull’uso della stampa 3D per dispositivi elettrochimici, che comprende elettrodi in grafene stampati FDM per la rilevazione di micotossine alimentari o sensori per neurotrasmettitori attivati tramite scariche elettriche sulla superficie del filamento conduttivo.
Queste soluzioni sfruttano la capacità della stampa 3D di integrare, in un unico processo, parti isolanti e parti conduttive, riducendo il numero di passaggi di fabbricazione rispetto ai metodi tradizionali su vetro o silicon wafer.
MICRO porta un contributo specifico sul tema della modularità: invece di progettare ogni volta un nuovo dispositivo monolitico, propone un’interfaccia standardizzata dove cambiano solo i “cartridges” sensoriali o alcuni dettagli del corpo stampato in 3D.
In prospettiva, approcci di questo tipo potrebbero portare a librerie di moduli elettrochimici stampabili e combinabili, con design open‑source per i laboratori accademici e varianti industriali con materiali certificati per applicazioni regolamentate.
