Microelectromechanical systems (MEMS) offer powerful solutions for drug delivery where biological barriers limit the potential of advanced therapeutics. This thesis demonstrates how unorthodox applications of microfabrication techniques can create novel platforms to overcome drug delivery challenges, enhancing the delivery of potent and fragile biologics.

The first part of this work focuses on implantable systems. An ultrasonically actuated micro-implant is presented, which exploits mechanical resonance not for sensing but for the selective, on demand destruction of reservoir membranes. This enables remotely triggered drug release without onboard power or electronics. Building on this, a miniaturized ultrasonic energy harvester is developed, integrating a high-performance, bulk piezoelectric material (PZT-5H) via a novel low-temperature bonding process, creating a robust power source for future active implants.

The second part explores two-photon polymerization (2PP) to fabricate complex 3D microstructures for non-invasive delivery. First, rolling ultra-miniaturized microneedle spheres (RUMS) are introduced. Unlike traditional flat microneedle patches, these 3D particles are suspended in topical formulations to gently and repeatedly disrupt the skin’s stratum corneum, enabling the effective transdermal delivery of biologics. Second, a micro-swirl nozzle, a design typically found in internal combustion or agricultural applications, has been developed to aerosolize fragile biologics. This geometry generates a fine mist suitable for deep lung deliverythrough a low-shear mechanism, preserving the integrity of sensitive payloads like lipid nanoparticle (LNP)-encapsulated mRNA.

Collectively, this work showcases a versatile approach to biomedical engineering, where the precise control of micro-scale geometry and physics is leveraged to solve persistent challenges in therapeutic delivery.

Mikroelektromekaniska system (MEMS) erbjuder nya effektiva lösningar för läkemedelstillförsel där biologiska barriärer hindrar den kliniska potentialen hos avancerade terapier. Denna avhandling visar hur oortodoxa tillämpningar av mikrofabrikationstekniker kan skapa nya plattformar för att överkomma läkemedelstillförsel utmaningar och förbättra tillförsel av potenta och ömtåliga biologiska läkemedel.

Den första delen av detta arbete fokuserar på implanterbara system. Ett ultraljudsaktiverat mikroimplantat presenteras som utnyttjar mekanisk resonans, inte för avkänning, utan för selektiv, on-demand destruktion av reservoarmembran. Detta möjliggör fjärrstyrd läkemedelsfrisättning utan någon inbyggd strömförsörjning eller elektronik. Baserat på samma teknik har en miniatyriserad ultraljudsenergiuppsamlare utvecklats. Den integrerar ett högpresterande, bulk-piezoelektriskt material (PZT-5H) via en ny lågtemperaturbindningsprocess, vilket skapar en robust strömkälla för framtida aktiva implantat.

Den andra delen utav arbetet utforskar tvåfotonpolymerisation (2PP) för att tillverka komplexa 3D-mikrostrukturer för icke-invasiv läkemedelstillförsel. Först introduceras rullande ultraminiatyriserade mikronålssfärer (RUMS). Till skillnad från traditionella platta mikronålsplåster är dessa 3D-partiklar suspenderade i topiska formuleringar för att skonsamt och upprepat bryta hudens hornlager, vilket möjliggör effektiv leverans av biologiska läkemedel genom huden av. Vidare har ett mikrovirvelmunstycke, en design som vanligtvis återfinns i förbränningsmotorer eller i jordbrukstillämpningar, utvecklats för att aerosolisera ömtåliga biologiska läkemedel. Geometrin hos munstycket genererar en fin dimma som är lämplig för djup lungadministrering genom en lågskjuvningsmekanism. Detta bevarar integriteten hos läkemedel med känsliga laster såsom lipid nanopartikel (LNP)-inkapslat mRNA.

Sammantaget visar detta arbete användbara och mångsidiga tillvägagångssätt inom medicinsk teknik, där precis kontroll av mikroskalig geometri och fysik utnyttjas för att lösa svåra utmaningar inom läkemedelstillförsel.