Towards non-invasive glucose monitoring on contact lenses

Abstract

Diabetes mellitus, uma doença metabólica prevalente que afeta centenas de milhões de pessoas em todo o mundo, exige uma monitorização contínua da glicose para uma gestão eficaz. Os métodos atuais de monitorização da glicemia, como os glicosímetros comerciais, embora precisos, são invasivos e desconfortáveis, realçando a necessidade de alternativas não invasivas e ultrassensíveis. Os biomarcadores presentes no sangue foram encontrados em menor quantidade nas lágrimas, abrindo a possibilidade de usar o olho para monitorização não invasiva. As lentes de contacto surgem como potenciais candidatas para uma plataforma de biossensores, uma vez que mantêm contacto direto com o filme lacrimal. Aqui, apresentamos uma plataforma de deteção de glicose utilizando transístores de efeito de campo de grafeno controlados por eletrólitos (EG-GFETs) funcionalizados com enzimas glicose oxidase. A caracterização detalhada do material por espectroscopia Raman e fotoeletrônica de raios-X confirma a imobilização bem-sucedida da enzima, com um aumento acentuado do conteúdo de azoto de 0,9% para 7,6% de concentração atómica na superfície do grafeno, indicando cobertura com glicose oxidase. Os EG-GFET demonstram um limite de deteção ultrabaixo de 1 attomolar, com uma mudança consistente de voltagem do ponto de Dirac de +26 ± 4 mV e uma resposta linear a seis ordens de grandeza (até 1 picomolar, com uma sensibilidade de 10, 6 mV/década). O sensor mantém uma elevada seletividade na presença de interferentes e em lágrimas artificiais (com um limite de deteção de 100 attomolar). Com base neste conhecimento, desenvolvemos ainda uma estratégia dedicada à potencial integração de uma plataforma de deteção de glicose baseada em lentes de contacto revestidas de grafeno. Estas lentes com grafeno foram caracterizadas minuciosamente através de diversas técnicas para avaliar a sua qualidade, incluindo a morfologia, continuidade e uniformidade das camadas. O método de transferência de grafeno foi otimizado para superar desafios anteriores, como a rutura do filme e a cobertura irregular, incorporando um suporte impresso em 3D, permitindo a melhoria do processo de transferência. Foi desenvolvido um protocolo para funcionalizar o grafeno para deteção de glicose, integrando um modelo personalizado impresso em 3D que garantiu a imersão controlada e a proteção da lente durante a funcionalização. A espectroscopia Raman e as medições do ângulo de contacto foram empregues para monitorizar as modificações causadas no grafeno em cada etapa de funcionalização. Além disso, a espectroscopia ultravioleta-visível confirmou a interação bem-sucedida entre a glicose e a enzima imobilizada, com evidências de produção de peróxido de hidrogénio.

Diabetes mellitus, a prevalent metabolic disorder affecting hundreds of millions worldwide, demands continuous glucose monitoring for effective management. Current blood glucose monitoring methods, such as commercial glucometers, though accurate, are invasive and uncomfortable, highlighting the need for non-invasive, ultra-sensitive alternatives. The biomarkers present in the blood have been found in smaller quantities in the tears, opening the possibility of using the eye for non-invasive monitoring. Contact lenses emerge as a potential candidate for a biosensing platform, as they maintain direct contact with the tear film. Here, we present a glucose sensing platform using electrolyte-gated graphene field-effect transistors (EG-GFETs) functionalized with glucose oxidase enzymes. Detailed material characterization by Raman and X-ray photoelectron spectroscopies confirms successful enzyme immobilization, with a marked increase in nitrogen content from 0.9% to 7.6% atomic concentration on the graphene surface, indicating substantial glucose oxidase coverage. The EG-GFETs demonstrate a ultra-low limit-of-detection of 1 attomolar, with a consistent Dirac point voltage shift of +26 ± 4 mV and a linear response across six orders of magnitude (up to 1 picomolar, with a sensitivity of 10.6 mV/decade). The sensor maintains high selectivity in the presence of interferents and in complex media, such as artificial tears (with a limit-of-detection of 100 attomolar). Moving from this know-how, we further develop a strategy dedicated to the potential integration of a graphene-based glucose sensing platform in contact lenses. Graphene-coated lenses were thoroughly characterized using multiple techniques to assess their quality, including morphology, continuity, and layer uniformity. The graphene transfer method was optimized to overcome previous challenges, such as film rupture and uneven coverage, by incorporating a newly designed 3D-printed holder, enabling the upscaling of the transfer process. A specific protocol was developed to functionalize the graphene for glucose sensing, integrating a custom 3D-printed template that ensured controlled immersion and protection of the lens during functionalization. Raman spectroscopy and water contact angle measurements were employed to monitor modifications caused in the graphene at each functionalization step. Additionally, ultraviolet-visible spectroscopy confirmed the successful interaction between glucose and the immobilized enzyme, with evidence of hydrogen peroxide production.