Graphene Biosensors for Diabetic Foot Ulcer Monitoring

Abstract

The prevalence of Diabetes Mellitus (DM) in the twenty-first century has increased drastically, consequently, the incidence of DM-related complications has increased as well. According to the International Diabetes Federation (IDF) in 2021, globally one in every ten adults aged from 20 to 79 years had DM. Approximately 15-34% of individuals with DM are likely to develop a Diabetic Foot Ulcer (DFU) throughout their lifetime. Unmonitored and in- fected DFU can lead to non-traumatic lower extremity amputation and worst-case cause morbidity. Therefore, it is of great importance to develop effective, rapid production, bio- compatible, low-cost, flexible, wearable, sustainable sensors to monitor objectively the ulcer healing state. This dissertation aims to meet this need through the development of tempera- ture and pH laser-induced graphene (LIG) sensors on paper, that could be included in smart bandages and medical wound dressings. During this dissertation, LIG on paper fabrication parameters were studied to obtain the most reproducible, durable, and good electrical per- formance. The production condition of the LIG used for the development of the sensors had an average sheet resistance value of 24.9Ω/𝑠𝑞 with 1.2 Ω/𝑠𝑞 of standard deviation. The ther- moresistive sensor developed is characterized by a negative temperature coefficient with a highly linear response, and a sensitivity of 0.71 %℃−1 from 26℃ to 40℃, a suitable interval for its application. The electrochemical cell produced works as a potentiometric pH sensor. Its working electrode (WE) was electropolymerized with polyaniline (PANI) a pH-sensitive bio- compatible electrolyte. The sensor demonstrated a Nernstian behavior with a sensitivity of 53.0 𝑚𝑉/𝑝𝐻 and 2.3 𝑚𝑉/𝑝𝐻 of standard deviation on the interval from 2 pH to 9 pH.

A prevalência da Diabetes Mellitus (DM) no século XXI aumentou drasticamente, con- sequentemente, a incidência de complicações relacionadas com a DM também aumentou. Segundo a Federação Internacional de Diabetes em 2021, globalmente um em cada dez adultos com idades compreendidas entre os 20 e os 79 anos tem DM. Aproximadamente 15- 34% dos indivíduos com DM são suscetíveis de desenvolver uma úlcera do pé diabético (DFU) durante toda a sua vida. A DFU não monitorizada e infetada pode levar a uma amputa- ção não traumática das extremidades inferiores e causar morbilidade no pior dos casos. Por conseguinte, é de grande importância desenvolver sensores eficazes, de produção rápida, biocompatíveis, de baixo custo, flexíveis, viáveis e sustentáveis para monitorizar objetivamen- te o estado de cicatrização da úlcera. Esta tese visa responder a esta necessidade através do desenvolvimento de sensores de temperatura e pH induzidos por laser (LIG) em papel, que poderiam ser incluídos em ligaduras inteligentes e curativos médicos de feridas. Durante esta dissertação, foram estudados parâmetros de fabrico de LIG em papel para obter o mais re- produtível, durável, e bom desempenho elétrico. O valor da resistência da folha média da condição de produção utilizada para o desenvolvimento foi de 24.9 Ω/𝑠𝑞 com um desvio padrão de 1.2 Ω/𝑠𝑞. O sensor termoresistivo desenvolvido é caracterizado por um coeficiente de temperatura negativa com uma resposta altamente linear, e uma sensibilidade de 0.71 %℃−1 entre os 26℃ e 40℃, um intervalo adequado para a sua aplicação. A célula ele- troquímica produzida funciona como um sensor de pH potenciométrico. O seu elétrodo de trabalho (WE) foi electropolimerizado com polianilina (PANI) um eletrólito biocompatível sensível ao pH. O sensor demonstrou um comportamento Nernstiano com uma sensibilidade de 53.0 𝑚𝑉/𝑝𝐻 e desvio padrão de 2.3𝑚𝑉/𝑝𝐻 no intervalo de 2 a 9 pH.