Bright Lights: Innovative Micro- and Nano-Patterning for Sensing and Tissue Engineering

• Light is the primary source of energy on our planet and has been a significant driver in the evolution of human society and technology. Light finds applications in two-dimensional (2D) photolithography and three-dimensional (3D) printing, where a pattern is transferred to a material of interest by ultraviolet (UV) light exposure, and in laser scribing and cutting, where high power lasers are used to pattern the surface of objects or cut through the bulk of the material of interest. However, conventional light-based processing has three main constraints: a) the wavelength of visible light limits resolution, b) only materials that absorb the wavelength in use can be efficiently processed, and c) intense laser light burns its target, degrading the material surrounding the exposed areas and further limiting material compatibility. Overcoming these limitations is the core of this thesis.The first part of this thesis describes three different patterning methods enabled by intelligent design and non-linear light-matter interaction. The first work reports the use of light at 365 nm to generate sub-20 nm wide nanowires (NWs) exploiting crack lithography, exceeding the possible resolution given by diffraction limit by 10-fold. The second work describes how the non-linear interaction of femtosecond laser pulses with otherwise transparent glass enables nanostructuring of borosilicate coverslips. Positively charging the nanostructured glass surfaces grants a “attract and destroy” bactericidal functionality and maintains the transparency of the substrate, creating a microscopy compatible platform to study bacteria-surface interactions and providing strategies to fight antibiotic-resistant bacteria. The third and fourth works show how femtosecond lasers can directly pattern carbon nanotube films and 2D materials (graphene, molybdenum disulfide, and platinum diselenide) without damaging the substrate or the material surrounding the exposed area. Non-linear interaction with high-energy laser pulses allows sub-300 nm resolution, circumventing the limit given by light diffraction in the linear regime. The combination of high resolution, femtosecond exposure, and ultrafast scanning speed provides a valid alternative to resist-based photolithography while eliminating the related contamination issues for these sensitive materials.The second part of this thesis describes two different 3D micromachining approaches enabled by high-intensity laser light. The fifth work presents a collagen patterning method based on laser-induced cavitation, called cavitation molding. This method represents a new biomanufacturing mode that is neither additive nor subtractive. In this study, cavitation molding enables the generation of a micro vascularized cancer-on-chip model, consisting of an in-vivo-like spheroidal mass of cancer cells surrounded by artificial blood vessels. In the sixth and final work, we used two-photon polymerization to generate 3D platforms in a biocompatible resin. This platform enables the study of the physiology of neurons and their interaction with astrocyte cells. The low autofluorescence of the printed resins allows optical readout of the neuronal activity by calcium imaging.

• Ljus är den primära energikällan på vår planet och har varit en viktig motivation i utvecklingen av det mänskliga samhället och teknologin. Inom mikrotillverkning finner ljus tillämpningar inom fotolitografi och 3D-printing, där ett 2D- eller 3D-mönster överförs till ett material av intresse genom exponering för UV-ljus, och i laserritning och skärning, där högeffektlasrar används för att skapa mönster på föremålets yta eller skära igenom huvuddelen av materialet av intresse. Likväl, har dock konventionell ljusbaserad bearbetning tre huvudbegränsningar: a) våglängden för synligt ljus begränsar upplösningen, b) endast material som absorberar våglängden vid användning kan bearbetas effektivt, och c) intensivt laserljus bränner upp sitt målobjekt, vilket försämrar materialet som omger de exponerade områdena och ytterligare begränsar materialkompatibiliteten. Att övervinna dessa begränsningar är kärnan i denna avhandling.Den första delen av denna avhandling beskriver tre olika tvådimensionella mönstringsmetoder som möjliggörs av intelligent design och icke-linjär ljus-materia interaktion. Det första arbetet rapporterar användningen av ljus vid 365 nm för att generera sub-20 nm breda nanotrådar (NW) genom att utnyttja cracklitografi, vilket överskrider den möjliga upplösningen som ges av diffraktionsgränsen tiofaldigt. Det andra verket beskriver användningen av femtosekundlaserpulser för att strukturera ytan på glasskivor, som vanligtvis skulle vara transparenta för mindre intensivt synligt ljus. Positiv laddning av de nanostrukturerade glasytorna ger en "sök och förstör" bakteriedödande funktionalitet, vilket möjliggör nya grundläggande studier av interaktioner mellan bakterier och yta och tillhandahåller strategier för att bekämpa antibiotikaresistenta bakterier. Det tredje och fjärde verket visar hur ultrasnabba lasrar selektivt kan mönstra 2D-material – grafen, molybdendisulfid och platinadiselenid – och tunna filmer – kolnanorörsfilm – utan att skada substratet eller materialet som omger det exponerade området. Direkt mönstring med ultrasnabb skanningshastighet ger processskalbarhet och upplösning under 300 nm, vilket ger ett giltigt alternativ till resistbaserad fotolitografi och relaterade kontamineringsproblem för dessa känsliga material.Den andra delen av denna avhandling beskriver två olika 3D-mikrobearbetningsmetoder som möjliggörs av högintensivt laserljus. Det femte arbetet presenterar en biotillverkningsmetod för att strukturera kollagen baserat på laserinducerad kavitation. Denna metod, kallad kavitationsgjutning, representerar ett nytt biotillverkningsläge som varken är additivt eller subtraktivt. I denna studie möjliggör kavitationsformning genereringen av en mikrovaskulariserad cancer-on-chip-modell, bestående av en in-vivo-liknande sfäroidal massa av cancerceller omgivna av konstgjorda blodkärl. I det sjätte och sista arbetet använde vi två-fotonpolymerisation för att generera icke-cytotoxiska 3D-strukturer för att studera neuronernas fysiologi och deras interaktion med astrocytceller. Den låga autofluorescensen hos de tryckta hartserna tillåter optisk avläsning av den neuronala aktiviteten genom kalciumavbildning.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Nanoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Nano-technology (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Medicinteknik -- Annan medicinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Medical Engineering -- Other Medical Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Bearbetnings-, yt- och fogningsteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Manufacturing, Surface and Joining Technology (hsv//eng)

Nyckelord

Micro-electromechanical systems (MEMS)

nanotechnology

nanowires

microfabrication

tissue engineering

crack-lithography

direct writing

femtosecond lasers

two-photon polymerization

3D micromachining

cavitation molding

scalable optical patterning

2D materials

surface structuring

bacterial-surface interaction.

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)