Biology and medicine have seen groundbreaking discoveries, from ion channels to induced pluripotent stem cells, resulting in a paradigm shift. The advancements in physical sciences and engineering have always been pivotal in unlocking mysteries of biology and highlighting that the new frontiers lie in deepening our understanding at the single-cell and single-molecule levels. Applying different physical and engineering principles sheds new light on our understanding of complex biological systems at the single-cell and single-molecule level, enabling the development of various technologies such as single-molecule detection, organ-on-chip platforms, and organoids. The development of these technologies offers valuable insights into disease progression and personalized therapeutic strategies. The advancements in micro and nanofabrication propel the development of sensing platforms and biological devices that pave the way for novel solutions, ensuring the best of both worlds. This thesis aims to contribute to advancing the fields of single-molecule sensing and cell therapy by integrating biological discoveries and engineering advancements to develop novel engineering toolboxes. 

The first part of this thesis introduces and describes two approaches for single-molecule sensing and detection, specifically tunneling nanogaps and solid-state nanopore-based sensing platforms. The first work reports the custom measurement setup built during the project, which facilitates automated probing and testing arrays with hundreds of tunnel junctions in liquid with integrated microfluidics, current in the pA range, and at sampling rates up to 200 kHz. This setup highlights key electrical and microfluidic components and design choices to achieve a scalable measurement method, providing a platform for further studies and development in this field and enabling the potential for dynamic sensing. The second work in this thesis investigates the fabrication and electrical behavior of tunnel junctions in various gaseous and liquid media by feedback-controlled electromigration of microfabricated gold nanoconstrictions. This work maps the conductance stability and characteristics of the resulting tunnel junctions, highlighting various considerations and challenges in working with on-chip integrated tunnel junctions to guide future efforts. 

In the third work, we shift our focus to solid-state nanopores and demonstrate that the nanopores fabricated by controlled dielectric breakdown could be localized at the site of femtosecond laser exposure on a pristine silicon nitride membrane. We analyze the sensing potential of these nanopores by the translocation of double-stranded DNA through the pores. The fourth work uses the solid-state nanopore platform to detect and study the binding of Estrogen Receptor Alpha to the Estrogen Receptor Elements on the DNA. The work on tunnel junction and solid-state nanopore-based sensing modalities holds potential for further development in the field of single-(bio)molecule sensing.

The second part of this thesis presents a microfluidic chip platform that enables simple and fast reprogramming of somatic cells, such as fibroblasts, into induced pluripotent stem cells (iPSCs). These iPSCs can then be differentiated further into functional ectodermal cell types towards neural lineage, resulting in neural stem cells on the chip. Furthermore, using bulk-RNA sequencing, we observed that the microfluidic platform boosted commitment toward generating neural stem cells while reducing biological variability compared to a conventional well plate. Our method provides a simple platform with considerably reduced reagent requirements, cellular input, and manual labor, leading to substantial cost savings and holding potential for the highly controlled generation of clinical-grade iPSCs and differentiated cells for cellular therapeutics.

Banbrytande upptäckter inom biologi och medicin, från jonkanaler till inducerade pluripotenta stamceller, har resulterat i ett paradigmskifte. Framsteg inom fysik och ingenjörsvetenskap har varit avgörande för att avslöja biologins mysterier och belysa att framtidens nya avancemang ligger i att fördjupa vår förståelse på enskild cell- och molekylnivå. Genom att tillämpa olika fysikaliska och ingenjörsvetenskapliga principer får vi nya insikter gällande komplexa biologiska system på dessa nivåer, vilket möjliggör utvecklingen av olika teknologier såsom detektion av enskilda molekyler, organ-på-chip-plattformar och organoider. Utvecklingen av dessa teknologier ger värdefulla insikter för sjukdomsprogressioner och individanpassade terapeutiska strategier. Framstegen inom mikro- och nanofabrikation driver utvecklingen av sensorplattformar och biologiska enheter som banar väg för nya lösningar där det bästa från två världar förenas. Denna avhandling syftar till att bidra till utvecklingen av fälten för enskild molekyl-detektion och cellterapi genom att integrera biologiska upptäckter med ingenjörsvetenskapliga framsteg för att skapa nya teknologiska verktyg.

Den första delen av denna avhandling introducerar och beskriver två metoder för detektion av enskilda molekyler, specifikt tunnel-nanogap och fasta nanoporer som sensorplattformar. Den första studien rapporterar om den specialanpassade mätuppställning som byggdes under projektet och som möjliggör automatiserad avläsning och testning av arrays med hundratals tunnelövergångar i vätska med integrerad mikrofluidik, strömmar i pA-området och samplingsfrekvenser upp till 200 kHz. Systemet belyser viktiga elektriska och mikrofluidiska komponenter samt de designval som krävs för att uppnå en skalbar mätmetod, vilket skapar en plattform för vidare studier och utveckling inom detta fält och möjliggör potentialen för dynamisk detektion. Den andra studien i denna avhandling undersöker tillverkningen och den elektriska funktionen hos tunnelövergångar i olika gas- och vätskemedier genom återkopplingsstyrd elektromigration av mikrofabrikerade guldkonstriktioner. Detta arbete kartlägger ledningsstabiliteten och egenskaperna hos de resulterande tunnelövergångarna och belyser olika överväganden och utmaningar vid arbete med on-chip-integrerade tunnelövergångar för att vägleda framtida insatser.

I den tredje studien skiftar vi fokus till fasta nanoporer och demonstrerar att nanoporer, som skapats genom kontrollerad dielektrisk nedbrytning, kan lokaliseras till platsen för femtosekundslaserexponering på ett orört kiselnitridmembran. Vi analyserar sensorpotentialen hos dessa nanoporer genom translokation av dubbelsträngat DNA genom porerna. Den fjärde studien använder den fasta nanoporplattformen för att detektera och studera bindningen av östrogenreceptor alfa till östrogenreceptor-element på DNA. Arbetet med tunnelövergångar och fasta nanoporbaserade sensorplattformar har potential för vidare utveckling inom fältet för enskild-(bio)molekyl-detektion.

Den andra delen av denna avhandling presenterar en mikrofluidisk chip-plattform som möjliggör enkel och snabb omprogrammering av somatiska celler, såsom fibroblaster, till inducerade pluripotenta stamceller (iPSCs). Dessa iPSCs kan sedan vidare differentieras till funktionella ektodermala celltyper mot neural linje, vilket resulterar i neurala stamceller på chipet. Vidare observerade vi genom bulk-RNA-sekvensering att den mikrofluidiska plattformen främjade genererering av neurala stamceller samtidigt som den minskade biologisk variation jämfört med en konventionell brunnsplatta. Vår metod tillhandahåller en enkel plattform med avsevärt minskade reagenskrav, cellinsatser och manuellt arbete, vilket leder till betydande kostnadsbesparingar och har potential för högkontrollerad produktion av kliniskt godkända iPSCs och differentierade celler för cellulära terapier.