A three-dimensional serpentine microchannel design with a "C shaped" repeating unit is presented in this paper as a means of implementing chaotic advection to passively enhance fluid mixing. The device is fabricated in a silicon wafer using a double-sided KOH wet-etching technique to realize a three-dimensional channel geometry. Experiments using phenolphthalein and sodium hydroxide solutions demonstrate the ability of flow in this channel to mix faster and more uniformly than either pure molecular diffusion or flow in a "square-wave" channel for Reynolds numbers from 6 to 70. The mixing capability of the channel increases with increasing Reynolds number. At least 98% of the maximum intensity of reacted phenolphthalein is observed in the channel after five mixing segments for Reynolds numbers greater than 25. At a Reynolds number of 70, the serpentine channel produces 16 times more reacted phenolphthalein than a straight channel and 1.6 times more than the square-wave channel. Mixing rates in the serpentine channel at the higher Reynolds numbers are consistent with the occurrence of chaotic advection. Visualization of the interface formed in the channel between streams of water and ethyl alcohol indicates that the mixing is due to both diffusion and fluid stirring.

This paper describes a fabrication technique for building three-dimensional (3-D) micro-channels in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer. The process allows for the stacking of many thin (less than 100-/spl mu/m thick) patterned PDMS layers to realize complex 3-D channel paths. The master for each layer is formed on a silicon wafer using an epoxy-based photoresist (SU 8). PDMS is cast against the master producing molded layers containing channels and openings. To realize thin layers with openings, a sandwich molding configuration was developed that allows precise control of the PDMS thickness. The master wafer is clamped within a sandwich that includes flat aluminum plates, a flexible polyester film layer, a rigid Pyrex wafer, and a rubber sheet. A parametric study is performed on PDMS surface activation in a reactive-ion-etching system and the subsequent methanol treatment for bonding and aligning very thin individual components to a substrate. Low RF power and short treatment times are better than high RF power and long treatment times, respectively, for instant bonding. Layer-to-layer alignment of less then 15 /spl mu/m is achieved with manual alignment techniques that utilize surface tension driven self-alignment methods. A coring procedure is used to realize off-chip fluidic connections via the bottom PDMS layer, allowing the top layer to remain smooth and flat for complete optical access.

Microfluidic devices made out of polydimethylsiloxane (PDMS) have many physical properties that are useful for cell culture applications, such as transparency and gas permeability. Another distinct characteristic of PDMS is its ability to absorb hydrophobic small molecules. Partitioning of molecules into PDMS can significantly change solution concentrations and could potentially alter experimental outcomes. Herein we discuss PDMS absorption and its potential impact on microfluidic experiments.

Self-assembled monolayer chemistry was used in combination with either multistream laminar flow or photolithography to pattern surface free energies inside microchannel networks. Aqueous liquids introduced into these patterned channels are confined to the hydrophilic pathways, provided the pressure is maintained below a critical value. The maximum pressure is determined by the surface free energy of the liquid, the advancing contact angle of the liquid on the hydrophobic regions, and the channel depth. Surface-directed liquid flow was used to create pressure-sensitive switches inside channel networks. The ability to confine liquid flow inside microchannels with only two physical walls is expected to be useful in applications where a large gas-liquid interface is critical, as demonstrated here by a gas-liquid reaction.

The widespread application of ionic hydrogels in a number of applications like control of microfluidic flow, development of muscle-like actuators, filtration/separation and drug delivery makes it important to properly understand these materials. Understanding hydrogel properties is also important from the standpoint of their similarity to many biological tissues. Typically, gel size is sensitive to outer solution pH and salt concentration. In this paper, we develop models to predict the swelling/deswelling of hydrogels in buffered pH solutions. An equilibrium model has been developed to predict the degree of swelling of the hydrogel at a given pH and salt concentration in the solution. A kinetic model has been developed to predict the rate of swelling of the hydrogel when the solution pH is changed. Experiments are performed to characterize the mechanical properties of the hydrogel in different pH solutions. The degree of swelling as well as the rate of swelling of the hydrogel are also studied through experiments. The simulations are compared with experimental results and the models are found to predict the swelling/deswelling processes accurately.

The surface energy present in a small drop of liquid is used to pump the liquid through a microchannel. The flow rate is determined by the volume of the drop present on the pumping port of the microchannel. A flow rate of 1.25 microL s(-1) is demonstrated using 0.5 microL drops of water. Two other fluid manipulations are demonstrated using the passive pumping method: pumping liquid to a higher gravitational potential energy and creating a plug within a microchannel.

Abstract Leukocyte extravasation into inflamed tissue is a complex process that is difficult to capture as a whole in vitro . We employed a blood-vessel-on-a-chip model in which endothelial cells were cultured in a tube-like lumen in a collagen-1 matrix. The vessels are leak-tight, creating a barrier for molecules and leukocytes. Addition of inflammatory cytokine TNF-α caused vasoconstriction, actin remodelling and upregulation of ICAM-1. Introducing leukocytes into the vessels allowed real-time visualisation of all different steps of the leukocyte transmigration cascade including migration into the extracellular matrix. Individual cell tracking over time distinguished striking differences in migratory behaviour between T-cells and neutrophils. Neutrophils cross the endothelial layer more efficiently than T-cells, but upon entering the matrix, neutrophils display high speed but low persistence, whereas T-cells migrate with low speed and rather linear migration. In conclusion, 3D imaging in real-time of leukocyte extravasation in a vessel-on-a-chip enables detailed qualitative and quantitative analysis of different stages of the full leukocyte extravasation process in a single assay. Summary A functional hydrogel-based blood-vessel-on-a-chip model is used to study the complete leukocyte transendothelial migration process in real time. T-lymphocytes and neutrophils exhibit distinct migration dynamics in the extravascular matrix after transendothelial migration, which can be altered using a chemotactic gradient.