The development of synthetic life once envisioned by Feynman and Flynn many decades ago has stimulated significant research in materials science, biology, neuroscience, robotics, and computer science. The cross-disciplinary effort and advanced technologies in soft miniature robotics have addressed some of the significant challenges of actuation, sensing, and subsystem integration. An ideal Soft motile miniaturised robot (SMMRs) has innovative applications on a small scale, for instance, drug delivery to environmental remediation. Such a system demands smart integration of micro/nano components such as engines, actuators, sensors, controllers, and power supplies, making it possible to implement complex missions controlled wirelessly. Such an autonomous SMMR spans over multiple science and technology disciplines and requires innovative microsystem design and materials. Over the past decade, tremendous efforts have been made towards mastering one of such a SMMR's essential components: micro-engine. Chemical fuels and magnetic fields have been employed to power the micro-engines. However, it was realized seven years ago in work of TU-Chemnitz Professorship of Material Systems in Nanoelectronics and institute of investigative Nanosciences Leibniz IFW Dresden including Chemnitz side. Write explicitly that it is essential to combine the micro-engine with other functional microelectronic components to create an individually addressable smart and motile microsystem. This PhD work summarises the progress in designing and developing a novel flexible and motile soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) different from the well-studied single-tube catalytic micro-engines and other reported micromotors. Our systems incorporate polymeric nanomembranes fabricated by photolithography and rolled-up nanotechnology, which provide twin-tube structures and a spacious platform between the engines used to integrate onboard electronics. Energy can be wirelessly transferred to the catalytic tubular engine, allowing control over the SMARTS direction. Furthermore, to have more functionality onboard, a micro-robotic arm was integrated with remote triggering ability by inductive heating. To make the entire system smart, it is necessary to develop an onboard processor. However, the use of conventional Si technology is technically challenging due to the high thermal processes. We developed complex integrated circuits (IC) using novel single crystal-like organic and ZnO-based transistors to overcome this issue. Furthermore, a novel fabrication methodology that combines with six primary components of an autonomous system, namely motion, structure, onboard energy, processor, actuators, and sensors to developing novel SMARTSs, is being pursued and discussed.:List of acronyms 8 Chapter 1. Introduction 12 1.1 Motivation 14 1.2 Objectives 17 1.3 Thesis structure 18 Chapter 2. Building blocks of micro synthetic life 19 2.1 Soft structure 20 2.1.1 Polymorphic adaptability 20 2.1.2 Dynamic reconfigurability 20 2.1.3 Continuous motion 21 2.2 Locomotion 21 2.2.1 Aquatic 22 2.2.2 State-of-the-art aquatic SMMR 24 2.2.3 State-of-the-art terrestrial SMMR 25 2.2.4 State-of-the-art aerial SMMR 27 2.3 Onboard sensing 28 2.3.1 State-of-the-art 3D and flexible sensors systems 28 2.4 Onboard actuation 30 2.4.1 State-of-the-art actuators 30 2.5 Embedded onboard intelligence 32 2.5.1 State-of-the-art flexible integrated circuits 32 2.6 Onboard energy 33 2.6.1 State-of-the-art micro energy storage 34 2.6.2 State-of-the-art onboard energy harvesting SMMR 35 Chapter 3. Technology overview 38 3.1 Structure 38 3.1.1 Self-assembled “swiss-roll” architectures 40 3.1.2 Polymeric “swiss-roll” architectures 41 3.2 Motion: micro tubes as propulsion engines 44 3.2.1 Chemical engines 44 3.3 Embedded onboard intelligence 46 3.3.1 Thin film transistor 46 3.3.2 Basic characteristics of MOSFETs 48 3.4 Growth dynamics of organic single crystal films 51 3.4.1 Thin films growth dynamics 52 3.5 Powering SMARTSs 55 3.5.1 Onboard energy storage 56 3.5.2 Wireless power delivery 59 3.6 Integrable micro-arm 63 3.6.1 Stimuli-responsive actuator 63 3.6.2 Remote activation 64 Chapter 4. Fabrication and characterization 65 4.1 Thin film fabrication technology 65 4.1.1 Photolithography 65 4.1.2 E-beam deposition 68 4.1.3 Sputtering 69 4.1.4 Physical vapour deposition 70 4.1.5 Atomic layer deposition 71 4.1.6 Ion beam etching 72 4.2 Characterization methods 73 4.2.1 Atomic force microscopy 73 4.2.2 Scanning electron microscopy 74 4.2.3 Cyclic voltammetry 75 4.2.4 Galvanic charge discharge 77 4.2.5 Electrochemical impedance spectroscopy 78 Chapter 5. Development of soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) 81 5.1 Soft, flexible and robust polymeric platform 82 5.2 Locomotion of SMARTS 84 5.2.1 Assembly of polymeric tubular jet engines 84 5.2.2 Catalytic self-propulsion of soft motile microsystem 85 5.2.3 Propulsion power generated by the catalyst reaction 87 5.3 Onboard energy for SMARTS 89 5.3.1 Onboard wireless energy 90 5.3.2 Onboard ‘zero-pitch’ micro receiver coil 90 5.3.3 Evaluation of the micro receiver coil 91 5.4 Onboard energy storage 92 5.4.1 Fabrication of nano-biosupercapacitors 93 5.4.2 Electrochemical performance of “Swiss-roll” nBSC 97 5.4.3 Self-discharge performance and Bio enhancement: 98 5.4.4 Electrochemical and structural life time performance 100 5.4.5 Performance under physiologically conditions 101 5.4.6 Electrolyte temperature and flow dependent performance 102 5.4.7 Performance under hemodynamic conditions 105 5.4.8 Biocompatibility of nBSCs 105 5.5 Wireless powering and autarkic operation of SMARTS 108 5.5.1 Remote activation of an onboard IR-LED 108 5.5.2 Wireless locomotion of SMARTS 109 5.5.3 Effect of magnetic moment on SMARTS locomotion 111 5.5.4 Full 2D wireless locomotion control of SMARTS 112 5.5.5 Self-powered monolithic pH sensor system 114 5.6 Onboard remote actuation 119 5.6.1 Fabrication of integrable micro-arm 120 5.6.2 Remote actuation of integrable micro-arm 122 5.7 Flexibility of SMARTS 122 5.8 Onboard integrated electronics 123 5.9 Onboard organic electronics 124 5.9.1 Growth of BTBT-T6 as active semiconductor material 125 5.9.2 Confined Growth of BTBT-T6 to form Single-Crystal-Like Domain 128 5.9.3 Fabrication of OFET based on Single-Crystal-Like BTBT-T6 129 5.9.4 Carrier injection optimization 132 5.9.5 Performance of single-crystal-like BTBT-T6-OFET 133 5.10 Onboard flexible metal oxide electronics 136 5.10.1 Fabrication flexible ZnO TFT 138 5.10.2 Performance of ZnO TFT 139 5.10.3 Flexible integrated circuits 140 5.10.4 Logic gates 140 Chapter 6. Summary 142 Chapter 7. Conclusion and outlook 144 References 147 List of Figures & tables 173 Versicherung 177 Acknowledgement 178 Research achievements 180 Research highlight 183 Cover pages 184 Theses 188 Curriculum-vitae 191

Wir untersuchen minimale Suchstrategien für aktive Teilchen. Diese haben die Aufgabe, die Teilchen mit geringem Aufwand bezüglich Speicher- sowie Rechenkapazität möglichst effizient an ein Ziel zu bringen. Es wurden bereits zwei minimale Suchstrategien entwickelt, für die sich zeigen ließ, dass die Teilchen durch sie bei der Suche deutlich erfolgreicher sind als wenn sie einfachen Bewegungsmustern, wie der rein ballistischen oder der rein diffusiven Su- che, folgen, falls sie ihren Abstand zum Ziel zu jeder Zeit exakt kennen. Wir entwickeln ein mathematisches Modell, welches es möglich macht, beide Suchstrategien unter der realistischeren Bedingung zu untersuchen, dass die suchenden Teilchen den Abstand zum Ziel erst über die Messung der Konzentration von Signalmolekülen bestimmen müssen. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf dem molekularen Schrotrauschen, welches bei niedrigen Konzentrationen die Konzentrationsmessungen und damit auch die Abstandsmessungen beeinträchtigt. Wir zeigen, dass sich die stochastische Natur des Messprozesses bei der ersten Suchstrategie positiv auf den Erfolg der Suche auswirkt, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind. Zum Einen muss den Messungen der Vergangenheit ein hohes Gewicht in der Bestimmung des momentanen Abstandes gegeben werden und zum Anderen dürfen die Messungen nicht stark verrauscht sein. Bei hohen Rauschstärken nimmt der Sucherfolg der ersten Suchstrategie stark ab, er ist jedoch noch ähnlich hoch, wie im idealisierten Fall, wenn die Teilchen den Abstand zum Ziel immer exakt kennen. Der Sucherfolg ist zudem auch dann noch um ein Vielfaches höher als der Sucherfolg bei einfachen Bewegungsmustern. Damit zeigt sich die erste Suchstrategie als stabil gegenüber dem molekularen Schrotrauschen. Für die zweite Suchstrategie stellen wir die begründete Vermutung auf, dass sie für hohe Rauschstärken effizienter funktioniert als für niedrige Rauschstärken. Außerdem gehen wir davon aus, dass die Suchstrategie bei niedrigen Rauschstärken deutlich ineffizienter ist als im idealisierten Fall, wenn die Teilchen den Abstand zum Ziel immer exakt kennen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlegende Theorie zu einfachen Suchstrategien 7 2.1 Bewegung aktiver brownscher Teilchen 7 2.2 Zwei minimale Suchstrategien 9 2.3 Erfolgswahrscheinlichkeit für innere Suche bei erster Suchstrategie 12 2.3.1 Fall mit Rotationsdiffusion 12 2.3.2 Fall ohne Rotationsdiffusion 13 3 Zusammengesetzte Suchstrategien bei verrauschter Konzentrationsmessung 15 3.1 Radiale Konzentrationsverteilung der Signalmoleküle 15 3.2 Mathematisches Modell für die Detektion von Signalmolekülen 15 3.3 Informationsverarbeitung mittels Tiefpassfilter erster Ordnung 19 3.4 Unverrauschte Messung 20 3.4.1 Berechnung der Distanz bei Bewegung direkt auf Ziel 21 3.4.2 Berechnung der Distanz für allgemeine Winkel 22 3.5 Verrauschte Messung 24 3.6 Auswirkung der Konzentrationsmessung auf die Erfolgswahrscheinlichkeit der inneren Suche 25 3.7 NumerischeMethoden 28 4 Erfolgswahrscheinlichkeit der zusammengesetzten Suchstrategien 31 4.1 Einfluss der Integrationszeit des Tiefpassfilters auf das Umschaltverhalten der Agenten 31 4.2 Einfluss der Rauschstärke auf das Umschaltverhalten der Agenten 35 4.3 Erfolgswahrscheinlichkeit der ersten Suchstrategie 38 4.3.1 Bestimmung der optimalen Integrationszeit des Tiefpassfilters erster Ordnung 38 4.3.2 Erfolgswahrscheinlichkeit bei der inneren Suche in Abhängigkeit von der Rauschstärke 44 4.3.3 Optimaler Umschaltabstand für den Start der inneren Suche 46 4.4 Ausblick auf die zweite Suchstrategie 48 5 Zusammenfassung und Ausblick 53 Anhang 57 A Erfolgswahrscheinlichkeit bei der inneren Suche ohne Rotationsdiffusion 57 B Radiale Konzentrationsverteilung der Signalmoleküle 57 C Lösung des Tiefpassfilter erster Ordnung für die rauschfreie Messung 58 D Berechnung der Distanz bei rauschfreier Messung für Bewegung direkt auf Ziel 59 E Berechnung der Distanz bei rauschfreier Messung für allgemeine Winkel 60 Symbolverzeichnis 63 Literaturverzeichnis 65 / We investigate minimal search strategies for active particles. The task of these strategies is to bring the particles to a target as efficiently as possible with minimal memory and computing capacities. Two minimal search strategies have already been developed, for which it could be shown that the particles are significantly more successful in their search than when they follow simple motion patterns, such as the purely ballistic or the purely diffusive search, if they know their distance to the target exactly at all times. We develop a mathematical model that makes it possible to study both search strategies under the more realistic condition that the searching particles must first determine the distance to the target by measuring the concentration of signaling molecules. Here, we pay particular attention to the molecular shot noise, which at low concentrations affects the concentration measurements and thus also the distance measurements. We show that the stochastic nature of the measurement process has a positive effect on the success of the search in the first search strategy if two conditions are met. First, the past measurements must be given a high weight in determining the current distance and second, the level of molecular shot noise must be low. At high noise levels, the search success of the first search strategy decreases strongly, but it is still similar to the idealistic case, in which the particles always know the distance to the target exactly. Moreover, the search success is still many times higher than the search success of particles that use simple motion patterns. Thus, the first search strategy is shown to be stable against the molecular shot noise. For the second search strategy, we make the reasonable assumption that it works more efficiently for high noise levels than for low noise levels. We also assume that the search strategy is significantly more inefficient for low noise levels than in the idealistic case, in which the particles always know the distance to the target exactly.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlegende Theorie zu einfachen Suchstrategien 7 2.1 Bewegung aktiver brownscher Teilchen 7 2.2 Zwei minimale Suchstrategien 9 2.3 Erfolgswahrscheinlichkeit für innere Suche bei erster Suchstrategie 12 2.3.1 Fall mit Rotationsdiffusion 12 2.3.2 Fall ohne Rotationsdiffusion 13 3 Zusammengesetzte Suchstrategien bei verrauschter Konzentrationsmessung 15 3.1 Radiale Konzentrationsverteilung der Signalmoleküle 15 3.2 Mathematisches Modell für die Detektion von Signalmolekülen 15 3.3 Informationsverarbeitung mittels Tiefpassfilter erster Ordnung 19 3.4 Unverrauschte Messung 20 3.4.1 Berechnung der Distanz bei Bewegung direkt auf Ziel 21 3.4.2 Berechnung der Distanz für allgemeine Winkel 22 3.5 Verrauschte Messung 24 3.6 Auswirkung der Konzentrationsmessung auf die Erfolgswahrscheinlichkeit der inneren Suche 25 3.7 NumerischeMethoden 28 4 Erfolgswahrscheinlichkeit der zusammengesetzten Suchstrategien 31 4.1 Einfluss der Integrationszeit des Tiefpassfilters auf das Umschaltverhalten der Agenten 31 4.2 Einfluss der Rauschstärke auf das Umschaltverhalten der Agenten 35 4.3 Erfolgswahrscheinlichkeit der ersten Suchstrategie 38 4.3.1 Bestimmung der optimalen Integrationszeit des Tiefpassfilters erster Ordnung 38 4.3.2 Erfolgswahrscheinlichkeit bei der inneren Suche in Abhängigkeit von der Rauschstärke 44 4.3.3 Optimaler Umschaltabstand für den Start der inneren Suche 46 4.4 Ausblick auf die zweite Suchstrategie 48 5 Zusammenfassung und Ausblick 53 Anhang 57 A Erfolgswahrscheinlichkeit bei der inneren Suche ohne Rotationsdiffusion 57 B Radiale Konzentrationsverteilung der Signalmoleküle 57 C Lösung des Tiefpassfilter erster Ordnung für die rauschfreie Messung 58 D Berechnung der Distanz bei rauschfreier Messung für Bewegung direkt auf Ziel 59 E Berechnung der Distanz bei rauschfreier Messung für allgemeine Winkel 60 Symbolverzeichnis 63 Literaturverzeichnis 65

Magnetfelder und sichtbares Licht präsentieren zwei Operationen externe Reize für eine schnelle, ferngesteuerte, zuverlässige und heilende der Kleinrobotik weicher und harter Körper. Umden Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden, wurden selbstfahrende Bewegungen und komplexere Bewegungsmuster mit kleinen Robotern in der Längenskala von Mikro-bis Zentimeter demonstriert. In Bezug auf die begrenzte Betätigungsleistung und die mangelhafte Untersuchung der nicht linearen Dynamik von Hochgeschwindigkeitsbewegungsmustern in magnetischen weichen Robotern und der durch Niedrigenergie verursachten ineffizienten Bewegung von Mikrorobotern unter sichtbarem Licht konzentriert sich diese Arbeit auf drei Hauptthemen: ultraschnelle Roboter mit weichem Körper, angetrieben durch ein Magnetfeld, hoch-bewegliche, durch sichtbares Licht angetriebene Janus-Mikroroboter aus Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl), sowie betätigt aktivierter effizienter Ausschluss zwischen plasmonischen Ag/AgCl-Mikrorobotern und passiven Partikeln mittels sichtbares Licht. Im ersten Teil der Arbeit wird wir eine Reihe von simulationsgesteuerten, leichten, langlebigen, nicht angegeschlossee und ultraschnellen magnetischen Robotern mit weichem Körper, demonstriert die Deformationen mit großer Amplitude (Drehw-inkel > 90◦) bei hohen Frequenzen von bis zu 100 Hz ausführen. Unsere Roboter können mit einem sehr kleinen Magnetfeld von nur 0.5 mT angetrieben werden, was 20-mal weniger ist als das der allgemeine Magnetroboter. Desweiteren werde ein numerisches Modell entwickelt, welches das grundlegende Verständnis dieser nicht linearen Dynamik in ultraschnellen weichen Robotern erklärt. Ein inspirierendes, blütenförmiges, weiches Roboterdesign mit ultraschneller Betätigung kann eine leb ende Fliege in 35msfür einen Moment einwickeln. Die Schließgeschwindigkeit ist etwa achtmal höher als die der Venusfliegenfalle. Wenn unsere mehrarmigen Roboter mit weichem Körper in einem bestimmten Bereich hoher Frequenzen reagieren, zeigen sie eine stark nicht lineare dynamische Betätigung, die als “Kreuzklatsch” - Bewegung bezeichnet wird, die durch Simulation vorhergesagt und durch Experimente beobachtet wird. Unsere multifunktionalen Roboter mit weichem Körper können mit externen Magneten laufen, schwimmen, schweben und Fracht transportieren. Weiterhin wird demonstrieren die Bewegung von Janus-Polystyrolpartikel (PS)/Ag/ AgCl-Mikrorobotern vorgestellt, die große Verschiebungen in reinem Wasser unter blauem Licht zeigen, und mögliche Verwendung in menschlichem Speichel, phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) und Rhodamin B (RhB) Lösungen. Finden der auf Janus Ag/AgCl basierende Mikroroboter kann die mittlere quadratische Verschiebung (MSD) in reinem Wasser in 8 s auf einen bemerkenswerten Wert von 800 μm2 steigern, welcher etwa siebenmal höher ist als die zuvor in der Literatur angegebenen MSDWerte für AgCl-basierte Mikroroboter. Es wird zudem eine Untersuchung experimentelle, unter Verwendung numerischer Simulationen, der Bewegung einzelner Janus-Partikel in kleinen (bestehend aus 2 und 3 einzelnen Janus-Partikeln) und großen Clustern (bestehend aus vielen einzelnen Janus-Partikeln) vorgestellt. Die höchsten Bewegungsgeschwindigkeiten und größten MSD-Werte wurden bei einzelnen Janus-Partikeln beobachtet. Mit zunehmender Anzahl von Einzelpartikeln, die einen aktiven Mikroroboter bilden, nehmen die detektierten Geschwindigkeiten und die MSD. Infolge der Aufhebung der Eigenbitgeschwindigkeiten der Janus-Partikelbestandteile aufgrund ihrer zufälligen Anordnung in den Baugruppen ab. Diese Studie kann dazu genutzt werde, umneue Designs von Mikrorobotern mit sichtbarem Licht zu realisieren, welche auf dem Oberflächenplasmonresonanzeffekt (SPR) basieren, sowie fortschrittliche Anwendungen zu entwickeln, die für die biomedizinischen und ökologischen Wissenschaften relevant sind. Anschließend wird eine Reihe von des welche Lichte aktivierende kollektiven Verhaltensweisen zwischen aktiven Ag/AgCl-basierten Mikrorobotern (Einzel-, Doppel-, Dreifach- und Cluster), durch sichtbares und passiven PS-Partikeln in reinemWasser. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht lösen die Janus-Mikroroboter eine selbstfahrende Bewegung aus und schließen die umgebenden PS-Partikeln aus. Die ausschließliche Wirkung der passiven PS-Partikel ist bei großen Clustern von Janus-Partikeln aufgrund der starken Strömung der Produkte der chemischen Reaktion aus großen Clustern viel stärker als bei einzelnen Mikrorobotern. Dieses komplexe gemischte System mit beweglichen passiven und aktiven Objekten bietet Einblick in den interaktiven Effekt zwischen den PS-Partikeln und bietet vielversprechende Auswirkungen auf den licht aktivierten Antriebstransport und die chemische Erfassung.

The field of biomedical sciences has been expanded through the introduction of a novel cohort of soft and intelligent microrobots that can be remotely operated and controlled through the use of external stimuli, such as ultrasound, magnetic fields, or electric fields, or internal stimuli, such as chemotaxis. The distinguishing factor of these microrobots lies in their propulsion system, which may encompass chemical, physical, or biohybrid mechanisms. Particularly, microrobots propelled by motile cells or microorganisms have found extensive usage because they combine the control/steerability and image-enhancement capabilities of the synthetic microstructures with the taxis and cell-interaction capabilities of the biological components. Spermatozoa (sperms), among other types of motile microorganisms and cells, are promising biological materials for building biohybrid microrobots because they are inherently designed to swim through complex fluids and organs, like those in the reproductive system, without triggering negative immune responses. Sperms are suitable for a variety of gynecological healthcare applications due to their drug encapsulating capability and high drug-carrying stability, in addition to their natural role of fertilization. One objective of this project is to help sperms reach the site of fertilization in vivo where the sperm count is low (20 million sperm per mL), a condition known as oligospermia. In order to reach this goal, we are developing alternative strategies for transporting a significant number of sperms, as well as improving the functionality of sperm-hybrid microcarriers. Here, we use a thermoresponsive hydrogel made of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and a non-stimuli-responsive polymer (IPS photoresist) to create four dimensional (4D)-printed sperm-hybrid microcarriers via two-photon polymerization (TPP). We present a multifunctional microcarrier that can: i) transport and deliver multiple motile sperms to increase the likelihood of fertilization, ii) capacitate/hyperactivate the sperms in situ through the local release of heparin, and iii) assist the degradation of the hyaluronic acid (HA), present in extracellular matrix (ECM) of oocyte-cumulus surrounded the Egg. HA degradation occurs through the local action of hyaluronidase-loaded polymersomes (HYAL-Psomes) that have been immobilized on the microcarrier's surface. Dual ultrasonic (US)/photoacoustic (PA) imaging technology can also be used to visualize a swarm of microcarriers, making them ideal candidates for upcoming in vivo applications. In addition, as a second objective, we demonstrate that similar sperm-hybrid microcarriers can be utilized to deliver targeted enzymes and medication for the treatment of gynecological cancer. As proof of concept, we show that combined therapy using enzymes and anti-cancer drugs is an appealing strategy for disrupting the tumor tissue microenvironment and inducing cell apoptosis, thereby offering a more effective cancer therapy. To achieve this, we functionalize the microcarriers with polymersomes loaded with enzymes (such as hyaluronidase and collagenase) and anti-cancer drugs (such as curcumin), respectively, and demonstrate their cargo-release capability, enzyme function, and therapeutic effect for targeting cervical cancer cells in vitro.:Abstract iv 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objectives 3 1.3 Structure of this dissertation 4 2 Background 5 2.1 Introduction on additive manufacturing technology 5 2.2 Direct laser writing (DLW) based on two-photon polymerization 6 2.2.1 Writing principles of two-photon lithography 8 2.2.2 Available materials for two-photon lithography 9 2.2.3 Engineering (Preprogrammed designs) 12 2.3 4D Lithography 13 2.3.1 Biodegradable microrobot 13 2.3.2 Stimuli-responsive micromotors 15 2.3.3 Other 4D-printing approaches 17 2.4 Motion at the microscale (Micromotility) 21 2.4.1 Physical propelled micromotors 23 2.4.2 Chemical propelled micromotors 32 2.4.3 Biohybrid micromotors 34 2.5 Other two-photon polymerized microrobots and their biomedical applications 35 2.5.1 Functionalized carriers 36 2.5.2 Multiple-cell carrying scaffolds 38 2.5.3 Single particle and cell transporters 39 2.6 Comparison of 3D and 4D-lithography with other fabrication methods 42 3 Materials and methods 44 3.1 Synthesis and fabrication 44 3.1.1 Synthesis of PNIPAM 44 3.1.2 Fabrication of microcarrier 44 3.1.3 Preparation of sperm medium and sperm solution 45 3.1.4 Preparation and composition of different body fluids 45 3.1.5 Fluidics channels 46 3.1.6 In situ preparation of microcarriers and sperms 46 3.1.7 Loading of microcarriers with heparin 46 3.1.8 Synthesis of block copolymers (BCPs) 47 3.1.9 Fabrication of Empty-Psomes A and D 48 3.1.10 Preparation of Curcumin complex CU(βCD)2 and calibration curve 49 3.1.11 Fabrication of cargo-loaded Psomes with enzymes and antitumoral drug 50 3.2 Characterization 51 3.2.1 MTS-Assay 51 3.2.2 Toluidine blue assay 52 3.2.3 Characterization of Empty-Psomes A and D: pH cycles and pH titration by dynamic light scattering (DLS) 53 3.2.4 Characterization of cargo-loaded Psomes with enzymes and antitumoral drug 54 3.2.5 Loading efficiency of HYAL-Psomes 55 3.2.6 Loading efficiency of MMPsomes 56 3.2.7 Loading efficiency, stability and release study of CU(βCD)2-Psomes 57 3.2.8 Size and polydispersity analysis of cargo-loaded Psomes in different simulated body fluids by DLS 58 3.2.9 Conformation and stability study of cargo-loaded Psomes in different simulated body fluids by asymmetric flow field flow fractionation (AF4) 59 3.2.10 Immobilization of the cargo-loaded Psomes on the surfaces 61 3.2.11 Enzymatic assay of HYAL for enzyme activity measurement 62 3.2.12 Enzymes assay in different simulated body fluids 64 3.2.13 Stability study of RhB-HYAL-Psomes in different pH 65 3.2.14 Calculation of the magnetic field flux of an external hand-held magnet 66 3.3 Temperature actuation and imaging 67 3.3.1 Temperature actuation test of PNIPAM and video recording 67 3.3.2 Hybrid ultrasound (US) and photoacoustic (PA) Imaging 67 3.4 Other useful information 68 3.4.1 pH and temperature through the female reproductive tract 68 3.4.2 Calculation of the light-to-heat conversion during imaging process 69 4 Multifunctional 4D-printed sperm-hybrid microcarriers for assisted reproduction 72 4.1 Background 72 4.2 Concept and fabrication of the 4D-printed microcarriers 74 4.3 Sperm coupling and geometrical optimization of microcarrier 77 4.4 Characterization of the 4D-printed streamlined microcarriers 78 4.5 Microcarrier loaded with heparin for in situ sperm capacitation 82 4.6 Microcarriers decorated with HYAL-Psomes for in situ degradation of the HA-cumulus complex 86 4.6.1 Immobilization of HYAL-Psomes on the microcarrier’s surface 89 4.6.2 Qualitative study of cumulus cell removal 90 4.7 Sperm-microcarrier motion performance in oviduct-mimicking fluids 91 4.7.1 Capture, transport, and release of sperms 92 4.7.2 Sperm-microcarrier motion performance on ex vivo oviduct tissue 93 4.8 Tracking of a swarm of microcarriers with a dual ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging system 95 4.9 Summary 96 5 Polymersomes-decorated micromotors with multiple cargos for gynecological cancer therapy 98 5.1 Background 98 5.2 Characterization and size quantification of Psomes before and after loading of cargoes by DLS, and Cryo-TEM 103 5.3 Characterization and size quantification of cargo-loaded Psomes by DLS, and Cryo-TEM in different simulated bodily fluids 104 5.4 Immobilization and characterization of cargo-loaded Psomes on the microcarrier’s surface 106 5.5 Immobilization and characterization of dual cargo-loaded Psomes on the microcarrier’s surface 108 5.6 Investigation of ECM degradation and antitumoral effect of cargo-loaded Psomes 110 5.7 Magnetic and bio-hybrid guidance of microcarriers toward targeted cargo delivery 115 5.8 Summary 117 6 Conclusion and Outlook 119 6.1 Achievements 119 6.2 Outlook 121 Bibliography I List of Figures and Tables XXI Acknowledgements and funding XXIV Scientific publications and contributions XXVI Curriculum Vitae XXVII

In the last decades, additive manufacturing (AM), also called three-dimensional (3D) printing, has advanced micro/nano-fabrication technologies, especially in applications like lightweight engineering, optics, energy, and biomedicine. Among these 3D printing technologies, two-photon polymerization (TPP) offers the highest resolution (even at the nanometric scale), reproducibility and the possibility to create monolithically 3D complex structures with a variety of materials (e.g. organic and inorganic, passive and active). Such active materials change their shape upon an applied stimulus or degrade over time at certain conditions making them dynamic and reconfigurable (also called 4D printing). This is particularly interesting in the field of medical microrobotics as complex functions such as gentle interactions with biological samples, adaptability when moving in small capillaries, controlled cargo-release profiles, and protection of the encapsulated cargoes, are required. Here we review the physics, chemistry and engineering principles of TPP, with some innovations that include the use of micromolding and microfluidics, and explain how this fabrication schemes provide the microrobots with additional features and application opportunities. The possibility to create microrobots using smart materials, nano- and biomaterials, for in situ chemical reactions, biofunctionalization, or imaging is also put into perspective. We categorize the microrobots based on their motility mechanisms, function, and architecture, and finally discuss the future directions of this field of research.