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.

Brain development is a highly orchestrated process that entails changes in microenvironmental cues and growth factor gradients, which set the tempo for proper development of the rudimentary structures of the brain and the generation of neurons,astrocytes, and oligodendrocytes. Another intricate feature of the brain is the bloodbrain barrier (BBB). The BBB consists of specialized endothelial cells that form asemipermeable barrier between the blood and the brain; hence, the BBB plays animportant part in protecting the brain from blood-borne pathogens. In vitro modeling is inherently limiting, an artificial microenvironment that is usually not in tunewith in vivo conditions. Thus, understanding these cues and growth factor conditions is pivotal for proper in vitro modeling and achieving cell biomimicry in vitro.Stem cell differentiation is highly amenable to growth factors and microenvironmental cues that can alter the expression of proteins. Advanced in vitro culturingconsiders microenvironmental cues and applies a more holistic aspect to in vitromodeling. This thesis evaluates microenvironmental cues in neural stem cell generation and astrocyte generation by employing induced pluripotent stem cells (iPSC).This thesis introduces a new protocol for generating human iPSC-derived astrocytesin under 28 days. By creating an astrocytogenic milieu, neural stem cells give riseto star-shaped astrocytes that encompass many traits previously unmet in iPSC-derived astrocytes, namely, ICAM-1 expression under inflammatory stimulation, glutathione synthesis and secretion. A follow-up study in this thesis presents a proteomic analysis between primary fetal astrocytes and iPSC-derived astrocytes. Microphysiological systems impart a more appropriate culturing microenvironment andinfluence cell fate and functionality. Another study of this thesis focuses on thedifferences between conventional and microphysiological culture systems in iPSCreprogramming and the generation of neural stem cells. Lastly, in vitro modeling ofthe blood-brain barrier (BBB) is also investigated. Specifically, 1) a human iPSCBBB-like model is used to evaluate the permeability of a drug delivery system basedon nanostructured lipid carriers and 2) a vessel-like structure with a 3D gliomamodel.

Hjärnutveckling är en mycket orkestrerad process som medför förändringar imikromiljömässiga signaler och tillväxtfaktorgradienter, som sätter tempot för korrekt utveckling av hjärnans rudimentära strukturer och generering av neuroner, astrocyter och oligodendrocyter. Blod-hjärnbarriären (BBB) bildas av specialiserade endotelceller som bildar en semipermeabel barriär mellan blodet och hjärnan. Därför spelar BBB en viktig roll för att skydda hjärnan från blodburnapatogener In vitro-modellering är i sig begränsande, en artificiell mikromiljö som vanligtvis inte är i samklang med in vivo-förhållanden. Därför är förståelse av dessa signaler och tillväxtfaktorförhållanden avgörande för korrekt in vitro-modellering och för att uppnå cellbiomimik in vitro. Stamcellsdifferentiering är mycket mottaglig för tillväxtfaktorer och mikromiljömässiga signaler som kan förändra uttrycket av proteiner. Avancerad in vitro-odling tar hänsyn till mikromiljömässiga signaler och tillämpar en holistisk syn på in vitro-modellering. Denna avhandling syftar till att utvärdera mikromiljömässiga signaler i generering av neuralastamceller och generering av astrocyter genom att använda inducerade pluripotentastamceller (iPSC). Denna avhandling introducerar ett nytt protokoll för att generera mänskliga iPSC-härledda astrocyter på under 28 dagar. Genom att skapa enastrocytogen miljö ger neurala stamceller upphov till stjärnformade astrocyter som omfattar många egenskaper som tidigare inte uppfyllts i iPSC-härledda astrocyter, nämligen ICAM-1-uttryck under inflammatorisk stimulering, glutationsyntes och sekretion. En uppföljningsstudie i denna avhandling presenterar en proteomiskanalys mellan primära fetala astrocyter och iPSC-härledda astrocyter. Mikrofysiologiska system ger en mer lämplig odlingsmikromiljö och påverkar cellens öde och funktionalitet. En annan studie av denna avhandling fokuserar på skillnaderna mellan konventionella-och mikrofysiologiska odlingssystem i iPSComprogrammering och generering av neurala stamceller. Slutligen undersöks ocksåin vitro-modellering av blod-hjärnbarriären (BBB). Specifikt används 1) en mänsklig iPSC-BBB-liknande modell för att utvärdera genomträngligheten hos ettläkemedelsleveranssystem baserat på nanostrukturerade lipidbärare och 2) en kärlliknande struktur med en 3D-gliommodell.