Biological processes in the human body are regulated through complex and precise arrangements of cell structures and their interactions. In vivo models serve as the most accurate choice for biological studies to understand these processes. However, they are costly, time-consuming, and raise ethical issues. Microphysiological systems have been developed to create advanced in vitro models that mimic in vivo-like microenvironments. They are often combined with integrated sensing technologies to perform real-time measurements to gain additional information. However, conventional sensing electrodes, made of inorganic materials such as gold or platinum, differ fundamentally from biological materials. Organic bioelectronic devices made from conjugated polymers are promising alternatives for biological sensing applications and aim to improve the interconnection between abiotic electronics and biotic materials. The widespread use of these devices is partly hindered by the limited availability of materials and low-cost fabrication methods. In this thesis, we provide new tools and materials that facilitate the use of organic bioelectronic devices for in vitro sensing applications. We developed a method to pattern the conducting polymer poly(3,4‑ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate and to fabricate organic microelectronic devices using wax printing, filtering, and tape transfer. The method is low-cost, time-effective, and compatible with in vitro cell culture models. To achieve higher resolution, we further developed a patterning method using femtosecond laser ablation to fabricate organic electronic devices such as complementary inverters or biosensors. The method is maskless and independent of the type of conjugated polymer. Besides fabrication processes, we introduced a newly synthesized material, the semiconducting conjugated polymer p(g42T‑T)‑8%OH. This polymer contains hydroxylated side chains that enable surface modifications, allowing control of cell adhesion. Using the new femtosecond laser-based patterning method, we could fabricate p(g42T‑T)‑8%OH‑based organic electrochemical transistors to monitor cell barrier formations in vitro. Microphysological systems are further dependent on precise compartmentalization to study cellular interaction. We used femtosecond laser 3D printing to develop a co-culture neurite guidance platform to control placement and interactions between different types of brain cells. In summary, the thesis provides new tools to facilitate the fabrication of organic electronic devices and microphysiological systems. This increases their accessibility and widespread use to interface, monitor, and model biological systems. 

Biologiska processer i människokroppen regleras genom komplexa och exakta arrangemang av cellstrukturer och deras interaktioner. In vivo modeller är det mest exakta valet för biologiska studier för att förstå dessa processer. Men de är dyra, tidskrävande och behäftade med etiska dilemman. Mikrofysiologiska system har utvecklats för att skapa avancerade in vitro-modeller för att efterlikna mikromiljöer som finns in vivo. Dessa system kombineras ofta med integrerade sensortekniker för att utföra mätningar i realtid för att få ytterligare information. Konventionella elektroder, gjorda av oorganiska material som guld eller platina, skiljer sig dock fundamentalt från biologiska material. Organiska bioelektroniska komponenter tillverkade av konjugerade polymerer är intressanta alternativ för biologiska sensortillämpningar eftersom de har potential att förbättra sammankopplingen mellan abiotisk elektronik och biotiska material. Deras användning hindras delvis av den begränsade tillgången på material och billiga tillverkningsmetoder. I den här avhandlingen tillhandahåller vi nya verktyg och material som underlättar användningen av organiska bioelektroniska komponenter för in vitro avkänningstillämpningar. Vi utvecklade en metod för att mönstra den ledande polymeren poly(3,4-etylendioxitiofen) polystyrensulfonat och tillverka organiska mikroelektroniska komponenter med hjälp av vaxtryck, filtrering och tejpöverföring. Metoden har låg kostnad, är tidseffektiv och kompatibel med in vitro cellodlingsmodeller. För att uppnå högre upplösning vidareutvecklade vi en mönstringsmetod med femtosekundlaserablation för att tillverka organiska elektroniska enheter såsom komplementära växelriktare eller biosensorer. Metoden involverar inga masker och är inte beroende av typen av konjugerad polymer. Förutom tillverkningsprocesser introducerade vi ett nytt material, den konjugerade polymeren p(g42T‑T)‑8%OH. Denna polymer innehåller hydroxylerade sidokedjor som möjliggör ytmodifieringar, vilket tillåter kontroll av celladhesion. Med den nya femtonsekundslaser baserade mönstringsmetoden kunde vi tillverka p(g42T‑T)‑8%OH-baserade organiska elektrokemiska transistorer för att följa cellbarriärformationer in vitro. Slutligen använde vi femtonsekundslaserutskrift för att tillverka en plattform som kan guida neuriter i co-kultur  för att undersöka cellinteraktionerna mellan olika typer av hjärnceller. Sammanfattningsvis beskriver avhandlingen nya verktyg för att underlätta tillverkningen av organiska elektroniska enheter och mikrofysiologiska system. Detta ökar deras tillgänglighet och möjliggör utbredd användning för gränssnitt, övervakning och modellering av biologiska system.

Bringing a biosensor from laboratory demonstration to practical use depends as much on fabrication as on the sensing principle itself. This thesis develops fabrication strategies that overcome specific technological barriers across biosensing domains: from single-molecule electrochemical detection to real-time optical monitoring in organ-on-chip platforms.

In the electrochemical domain, the thesis identifies the conditions under which metal-assisted chemical etching enters the self-limiting regime in ultrathin silicon-on-insulator membranes, where catalyst size decouples from pore size, yielding ~5 nm pores with 1 nm variability (Papers I, II). A complementary approach translates micrometer-scale lithographic features into sub-10 nm pores through controlled fracture of pre-stressed membranes, validated for both electrical and optical single-molecule DNA detection down to 30 bases (Paper III). A two-tier fabrication architecture for organic electrochemical transistors decouples electrode routing from polymer channel definition via direct femtosecond laser writing, achieving single-micrometer resolution outside the cleanroom; channel outlining confines the ion-transport volume and improves switching speed by three orders of magnitude (Paper V). Colloidal self-assembly of polystyrene beads in silk fibroin produces biocompatible photonic crystals in which the defect-layer bead diameter programs the passband wavelength, establishing a design principle for spectral control in biocompatible optical structures (Paper IV). This fabrication logic, using particle size to define a functional feature in a host material, extends from the silicon nanopore work and enables the design of biocompatible photonic crystals.

In the optical integration domain, laser-machined PMMA modules with commodity optoelectronics replace benchtop instruments for continuous pH and dissolved oxygen monitoring in microfluidic systems (Paper VI). The modular architecture integrates with the bioreactor design without modification and operates autonomously from single-bioreactor cell culture through five-day multi-organ drug testing, enabling detection of liver-mediated drug conversion that is unobservable in single-organ systems (Paper VII).

Across those domains, understanding the sensing principle, material properties, and available fabrication tools guides the development of processes that achieve application-relevant precision while reducing costs and infrastructure requirements.

Att ta en biosensor från laboratoriedemonstration till praktisk användning beror lika mycket på tillverkning som på sensorprincipen i sig. Denna avhandling utvecklar tillverkningsstrategier som övervinner specifika tekniska hinder inom biosensordomäner: från elektrokemisk detektering av enskilda molekyler till optisk realtidsövervakning i organ-på-chip-plattformar.

Inom den elektrokemiska domänen identifierar avhandlingen de förhållanden under vilka metallassisterad kemisk etsning övergår till ett självbegränsande regime i ultratunna kisel-på-isolator-membran, där katalysatorstorleken frikopplas från porstorleken och ger ~5 nm porer med 1 nm variabilitet (Artikel I, II). En kompletterande metod översätter litografiska strukturer på mikrometerskala till porer under 10 nm genom kontrollerad fraktur av förspända membran, validerad för både elektrisk och optisk detektion av enskilda DNA-molekyler ned till 30 baser (Artikel III). En tvånivå-tillverkningsarkitektur för organiska elektrokemiska transistorer frikopplar elektrodledningar från polymerkanalsdefinition via direkt femtosekundslaserskrivning och uppnår upplösning på enstaka mikrometer utanför renrummet; kanalkonturering begränser jontransportvolymen och förbättrar switchhastigheten med tre storleksordningar (Artikel V). Kolloidal självorganisering av polystyrenkulor i silkesfibroin ger biokompatibla fotoniska kristaller där kuldiametern i defektlagret programmerar passbandsvåglängden och etablerar en designprincip för spektral styrning i biokompatibla optiska strukturer (Artikel IV). Denna tillverkningslogik, att använda partikelstorleken för att definiera en funktionell egenskap i ett värdmaterial, utgår från arbetet med kiselnanoporer och möjliggör design av biokompatibla fotoniska kristaller.

Inom den optiska integrationsdomänen ersätter laserskurna PMMA-moduler med standardkomponenter inom optoelektronik bänkinstrument för kontinuerlig pH- och syreövervakning i mikrofluidiska system (Artikel VI). Den modulära arkitekturen integreras i bioreaktordesignen utan modifikationer och arbetar autonomt från cellodling i enskilda bioreaktorer till femdagars läkemedelstestning i flerorgansystem, vilket möjliggör detektering av leverförmedlad läkemedelsomvandling som inte är observerbar i enkelorgansystem (Artikel VII).

Inom dessa domäner vägleder förståelsen av sensorprincipen, materialegenskaperna och de tillgängliga tillverkningsverktygen utvecklingen av processer som uppnår applikationsrelevant precision med minskade kostnader och infrastrukturkrav.

Il passaggio di un biosensore dalla fase di dimostrazione in laboratorio all'uso pratico dipende tanto dal processo di fabbricazione quanto dal principio stesso di rilevamento. Questa tesi sviluppa strategie di fabbricazione volte a superare specifiche barriere tecnologiche in quattro ambiti: dal rilevamento elettrochimico di una singola molecola al monitoraggio ottico in tempo reale nelle piattaforme «organ-on-chip» (organi-su-chip).

La prima parte riguarda i nanopori: minuscoli fori in una membrana di silicio, talmente piccoli che una singola molecola di DNA li occupa quasi interamente. Facendo passare la molecola attraverso il poro, è possibile identificarla. Produrre fori di questa dimensione, pochi miliardesimi di metro, è una sfida tecnologica che oggi richiede strumenti costosi e operatori specializzati. Questa tesi mostra come, sfruttando un fenomeno chimico autolimitante finora non riportato in letteratura, sia possibile fabbricare questi fori in parallelo su larga scala.

La seconda parte è dedicata ai cristalli fotonici biocompatibili, strutture capaci di manipolare la luce e realizzate con materiali compatibili con l'organismo umano, come la seta. La tesi mostra un metodo per introdurre nanostrutture all’interno della seta che permettono di scegliere la lunghezza d’onda della luce trasmessa, aprendo la strada a sensori ottici impiantabili.

La terza parte è dedicata ai transistor elettrochimici organici, dispositivi che permettono di misurare molecole come il glucosio o componenti del sudore, e che potrebbero contribuire alla prossima generazione di sensori indossabili a basso costo. Per definire le geometrie di questi sensori, è solitamente necessario ricorrere all’uso di una camera bianca. Questa tesi presenta una tecnica basata sulla scrittura laser che raggiunge la stessa precisione, ma al di fuori della camera bianca.

L'ultima parte è dedicata agli organi-su-chip, piattaforme miniaturizzate dove cellule umane vengono coltivate per ricreare il funzionamento di tessuti ed organi. Queste piattaforme potrebbero ridurre il ricorso alla sperimentazione animale per testare nuovi farmaci. La tesi sviluppa un sensore ottico a basso costo, in grado di monitorare in tempo reale le funzioni vitali delle cellule, tramite parametri come il pH e l'ossigeno.

Il filo conduttore di tutto il lavoro è uno: comprendere a fondo il principio fisico del sensore, le proprietà dei materiali, e le possibilità degli strumenti a disposizione. Questa comprensione permette di sviluppare processi di fabbricazione più semplici, più economici, e più pronti a uscire dal laboratorio rispetto agli approcci tradizionali.