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.

Advances in miniaturized biomedical microsystems, ranging from in vitro microphysiological systems (MPS) to implantable devices, are enabling new modes of continuous, autonomous preclinical studies. This thesis presents a set of interconnected research contributions on millimeter-scale fluorescence-sensing and ultrasonic energy-harvesting microsystems, collectively advancing the development of integrated and miniaturized biomedical instrumentation.

The first part introduces an integrated microoptical system for fluorescence sensing in MPS, incorporating custom micro-optics and miniaturized excitation and detection units with tailored optical filters. This platform enables real-time, continuous fluorescence monitoring of microtissues under physiologically relevant conditions, strengthening the analytical capabilities of MPS for long-duration studies of drug delivery and cellular behavior.

The second part translates these sensing concepts to fully implantable microsystems capable of autonomous, long-term in vivo fluorescence recording. A compact 5 × 5 × 5 mm³ implant integrates a miniaturized optical module and low-power electronics to track fluorescence dynamics within living tissue. Validated across phantom, in vitro, ex vivo, and in vivo studies, the system demonstrates two-week continuous tracking of tumor-associated fluorescence, establishing its suitability for preclinical studies.

The final part focuses on ultrasonic energy harvesting to enable the autonomous operation of implantable devices. A MEMS-based piezoelectric ultrasonic energy harvester (PUEH) fabricated using a low-temperature bonding process allows integration of high-performance bulk PZT-5H, demonstrating the potential of MEMS architectures for efficient ultrasonic power transfer. An integrated energy-harvesting node, also in a 5 × 5 × 5 mm³ form factor, combines the MEMS-based PUEH with power management and storage to support autonomous operation of millimetric implants.

Together, these contributions advance miniaturized fluorescence sensing and ultrasonic energy transfer, enabling versatile microsystems for biomedical applications.

Framsteg inom miniatyriserade biomedicinska mikrosystem, allt från in vitro-mikrofysiologiska system (MPS) till implanterbara enheter, möjliggör nya former av kontinuerliga, autonoma prekliniska studier. Denna avhandling presenterar en uppsättning sammankopplade forskningsbidrag om millimeterskaliga fluorescensavkännande och ultraljudsenergiupptagnings-mikrosystem, som tillsammans främjar utvecklingen av integrerade och miniatyriserade biomedicinska instrument.

Den första delen introducerar ett integrerat mikrooptiskt system för fluorescensavkänning i MPS, som innehåller anpassad mikrooptik och miniatyriserade excitations- och detektionsenheter med skräddarsydda optiska filter. Denna plattform möjliggör kontinuerlig fluorescensövervakning i realtid av mikrovävnader under fysiologiskt relevanta förhållanden, vilket stärker MPS analytiska kapacitet för långvariga studier av läkemedelsleverans och cellulärt beteende. Den andra delen översätter dessa avkänningskoncept till helt implanterbara mikrosystem som kan utföra autonom, långsiktig in vivo-fluorescensregistrering. Ett kompakt 5 × 5 × 5 mm³-implantat integrerar en miniatyriserad optisk modul och lågeffektselektronik för att spåra fluorescensdynamik i levande vävnad. Systemet har validerats i fantom-, in vitro-, ex vivo- och in vivo-studier och demonstrerar två veckors kontinuerlig övervakning av tumörassocierad fluorescens, vilket fastställer dess lämplighet för prekliniska studier. Den sista delen fokuserar på ultraljudsenergiupp-samling för att möjliggöra autonom implantatdrift. En MEMS-baserad piezoelektrisk ultraljudsenergiuppsamlingsenhet (PUEH) tillverkad med en lågtemperaturbindningsprocess möjliggör integration av högpresterande bulk-PZT-5H, vilket demonstrerar potentialen hos MEMS-arkitekturer för effektiv ultraljudsenergiöverföring. En integrerad energiuppsamlingsnod, också i en formfaktor på 5 × 5 × 5 mm³, kombinerar MEMS PUEH med energihantering och lagring för att stödja autonom drift av millimetriska implantat.

Tillsammans främjar dessa bidrag miniatyriserad fluorescensavkänning och ultraljudsenergiöverföring, vilket möjliggör mångsidiga mikrosystem för biomedicinska tillämpningar.