Skin Interfaced, Graphene-based Bioelectronics for Biomedical Applications

Abstract

Carbon nanomaterials, more specifically graphene, have become highly valuable re- sources in the development of soft conductors, for highly conformable, epidermic biomedical devices. From the different graphene synthesis and processing techniques available nowadays, Direct Laser Writing (DLW) has become increasingly investigated, for the simultaneous synthe- sis and patterning of three-dimensional, porous graphene geometries, through the synthesis of Laser-Induced Graphene (LIG). Significant advancements have been made in the synthesis and translation of LIG derived from petroleum-based aromatic polymers, towards wearable device fabrication. However, the exploration of more accessible, less environmentally impactful materials derived from vegetable biomass, such as paper substrates, is lacking in comparison. In this thesis, a longitudinal study is presented, aiming at developing LIG synthesis strat- egies on paper substrates, to determine their potential as suitable substrates for high efficiency graphitization and patterning, towards on-skin biomedical applications. At a first stage, focus is given on the study and optimizations of LIG synthesis and laser processing strategies to develop paper-based electrochemical sensors. At a second stage, novel strategies to develop conformable, paper-based LIG soft conducting architectures, through the development of ma- terial transfer methods, is explored. Finally, these flexible, conformable LIG architectures are translated into functional devices, where LIG bioelectrodes are explored for the acquisition of electrophysiological signals, iontophoresis-based stimulation for sweat secretion and electro- chemical sweat sensing applications, for non-invasive glucose sensing. Overall, novel laser processing strategies developed in this work include paper in the toolbox of highly efficient LIG precursors, with the developed manufacturing approaches demonstrating compatibility for on-skin, bioelectronics applications for different biomedical applications.

Nanomateriais de carbono, mais especificamente o grafeno, tornaram-se recursos altamente valiosos no desenvolvimento de condutores macios, para dispositivos biomédicos epidérmicos altamente conformáveis. Das diferentes técnicas de síntese e processamento de grafeno atualmente disponíveis, Direct Laser Writing (DLW) tem sido cada vez mais investigado, para a síntese e padronização simultanea de geometrias tridimensionais e porosas de grafeno, através da síntese de Grafeno Induzido por Laser (LIG). Avanços significativos foram feitos na síntese e translação de LIG derivado de polímeros aromáticos à base de petróleo, para o fabrico de dispositivos epidermicos. No entanto, a utilização de materiais mais acessíveis e com menor impacto ambiental, derivados de biomassa vegetal, como os substratos de papel, não têm o mêsmo nível de desenvolvimento. Nesta tese, é apresentado um estudo longitudinal, com o objetivo de desenvolver estratégias de síntese de LIG em substratos de papel, para determinar o seu potencial como substratos adequados para grafitização e padronização, para aplicações biomédicas na pele. Numa primeira fase, foi realizado um estudo focado na otimização da síntese de LIG e estratégias de processamento laser para o desenvolvimento de sensores electroquímicos baseados em papel. Numa segunda fase, novas estratégias para desenvolver arquitecturas condutoras flexíveis e conformáveis de LIG à base de papel são exploradas, através do desenvolvimento de métodos de transferência. Finalmente, a integração destas arquitecturas LIG flexíveis e conformáveis é traduzida em dispositivos funcionais, onde bioelectrodos à base de LIG são explorados para a aquisição de sinais electrofisiológicos, estimulação baseada em iontoforese para a secreção de suor e aplicações electroquímicas de deteção de suor, para deteção não invasiva de glucose. De um modo geral, as novas estratégias de processamento laser desenvolvidas neste trabalho incluem o papel como um precursor compativel para a síntese de LIG, com as abordagens de fabrico desenvolvidas a demonstrarem compatibilidade com aplicações bioelectrónicas na pele para diferentes aplicações biomédicas.