Biomineralization as an inspiration for materials chemistry

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 51, Issue 27, 2012, Pages 6582-6596

  Nudelman, Fabio ^a   Sommerdijk, Nico A J M ^a  

^a EINDHOVEN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY   (Netherlands)

Author keywords

biomimetic synthesis; biomineralization; organic templates

Indexed keywords

AMBIENT CONDITIONS; AQUEOUS MEDIA; BIO-INSPIRED APPROACH; BIO-INSPIRED MATERIALS; BIOMIMETIC SYNTHESIS; BIOMINERALS; ECOLOGICAL FOOTPRINT; IN-SITU TECHNIQUES; LIVING ORGANISMS; MATERIALS CHEMISTRY; MATERIALS SCIENTIST; MOLECULAR TEMPLATING; ORGANIC TEMPLATES; ORGANIC-INORGANIC HYBRID MATERIALS; PHAGE DISPLAY; SUPRAMOLECULAR TEMPLATING;

BIOLOGY; BIOMIMETICS; HYBRID MATERIALS; OCEAN HABITATS;

BIOMINERALIZATION;

BIOMIMETIC MATERIAL; NANOMATERIAL;

CHEMISTRY; METHODOLOGY; NANOTECHNOLOGY; REVIEW; SYNTHESIS;

BIOMIMETIC MATERIALS; CHEMISTRY TECHNIQUES, SYNTHETIC; NANOSTRUCTURES; NANOTECHNOLOGY;

EID: 84863207403     PISSN: 14337851     EISSN: 15213773     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.201106715     Document Type: Review

References (168)

1. H. A. Lowenstam, S. Weiner, On Biomineralization, Oxford University Press, New York, 1989.
2. M. Hildebrand, Chem. Rev. 2008, 108, 4855.
3. B. E. F. Reimann, J. C. Lewin, B. E. Volcani, J. Phycol. 1966, 2, 74.
4. E. F. Stoermer, H. S. Pankratz, C. C. Bowen, Am. J. Bot. 1965, 52, 1067.
5. M. Sumper, E. Brunner, ChemBioChem 2008, 9, 1187.
6. N. Kroger, S. Lorenz, E. Brunner, M. Sumper, Science 2002, 298, 584.
7. L. A. Edgar, J. D. Pickettheaps, J. Phycol. 1984, 20, 47.
8. N. Kröger, R. Deutzmann, M. Sumper, Science 1999, 286, 1129.
9. N. Kröger, M. Sumper, Protist 1998, 149, 213.
10. N. Kröger, R. Deutzmann, C. Bergsdorf, M. Sumper, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 14133.
11. S. Wenzl, R. Hett, P. Richthammer, M. Sumper, Angew. Chem. 2008, 120, 1753
12. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1729.
13. J. Aizenberg, J. C. Weaver, M. S. Thanawala, V. C. Sundar, D. E. Morse, P. Fratzl, Science 2005, 309, 275.
14. V. C. Sundar, A. D. Yablon, J. L. Grazul, M. Ilan, J. Aizenberg, Nature 2003, 424, 899.
15. D. Faivre, D. Schüler, Chem. Rev. 2008, 108, 4875.
16. D. Faivre, A. Fischer, M. Schmitz, B. Aichmayer, P. Fratzl, J. R. Soc. Interface 2011, 8, 1011.
17. J. Aizenberg, A. Tkachenko, S. Weiner, L. Addadi, G. Hendler, Nature 2001, 412, 819.
18. J. C. Jamieson, J. Chem. Phys. 1953, 21, 1385.
19. E. Beniash, J. Aizenberg, L. Addadi, S. Weiner, Proc. R. Soc. London Ser. B 1997, 264, 461.
20. Y. Politi, T. Arad, E. Klein, S. Weiner, L. Addadi, Science 2004, 306, 1161.
21. I. M. Weiss, N. Tuross, L. Addadi, S. Weiner, J. Exp. Zool. 2002, 293, 478.
22. L. Addadi, Y. Politi, F. Nudelman, S. Weiner, in 39th Course of the International School of Crystallography on Engineering of Crystalline Materials Properties (Eds.:, J. J. Novoa, D. Braga, L. Addadi,), Springer, Erice, 2007, p. 1.
23. F. Nudelman, B. A. Gotliv, L. Addadi, S. Weiner, J. Struct. Biol. 2006, 153, 176.
24. J. G. Carter, Skeletal Biomineralization: Patterns, Processes and Evolutionary Trends, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990.
25. S. Weiner, L. Addadi, J. Mater. Chem. 1997, 7, 689.
26. L. Addadi, S. Weiner, Angew. Chem. 1992, 104, 159
27. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 31, 153.
28. A. Berman, J. Hanson, L. Leiserowitz, T. F. Koetzle, S. Weiner, L. Addadi, Science 1993, 259, 776.
29. S. Weiner, L. Addadi, H. D. Wagner, Mater. Sci. Eng. C 2000, 11, 1.
30. L. Addadi, D. Joester, F. Nudelman, S. Weiner, Chem. Eur. J. 2006, 12, 980.
31. C. Gregoire, in Chemical Zoology (Ed.:, B. T. S. M. Florkin,), Academic Press, New York, 1972, p. 45.
32. F. Nudelman, H. H. Chen, H. A. Goldberg, S. Weiner, L. Addadi, Faraday Discuss. 2007, 136, 9.
33. B. L. Smith, T. E. Schaffer, M. Viani, J. B. Thompson, N. A. Frederick, J. Kindt, A. Belcher, G. D. Stucky, D. E. Morse, P. K. Hansma, Nature 1999, 399, 761.
34. S. Weiner, H. D. Wagner, Annu. Rev. Mater. Sci. 1998, 28, 271.
35. D. J. S. Hulmes, T. J. Wess, D. J. Prockop, P. Fratzl, Biophys. J. 1995, 68, 1661.
36. W. Traub, T. Arad, S. Weiner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989, 86, 9822.
37. A. George, A. Veis, Chem. Rev. 2008, 108, 4670.
38. J. W. C. Dunlop, P. Fratzl, Annu. Rev. Mater. Res. 2010, 40, 1.
39. S. Mann, Biomineralization: Principles and Concepts in Bioinorganic Chemistry, Oxford University Press, New York, 2001.
40. L. Addadi, J. Moradian, E. Shay, N. G. Maroudas, S. Weiner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1987, 84, 2732.
41. L. Addadi, S. Weiner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1985, 82, 4110.
42. G. Falini, S. Albeck, S. Weiner, L. Addadi, Science 1996, 271, 67.
43. S. Weiner, F. Nudelman, E. Sone, P. Zaslansky, L. Addadi, Biointerphases 2006, 1, P 12.
44. L. Addadi, S. Raz, S. Weiner, Adv. Mater. 2003, 15, 959.
45. J. Mahamid, B. Aichmayer, E. Shimoni, R. Ziblat, C. H. Li, S. Siegel, O. Paris, P. Fratzl, S. Weiner, L. Addadi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 6316.
46. S. Mann, B. R. Heywood, S. Rajam, J. D. Birchall, Nature 1988, 334, 692.
47. M. Fricke, D. Volkmer, in Biomineralization I: Crystallization and Self Organization Process, Vol. 270 (Ed.:, K. Naka,), Springer, Berlin, 2007, p. 1.
48. W. Tremel, J. Kuther, M. Balz, N. Loges, S. E. Wolf, in Handbook of Biomineralization: Biomimetic and Bioinspired Chemistry (Ed.:, E. Baeuerlein,), Wiley-VCH, Weinheim, 2007, p. 209.
49. J. Aizenberg, A. J. Black, G. H. Whitesides, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4500.
50. J. Aizenberg, A. J. Black, G. M. Whitesides, Nature 1998, 394, 868.
51. J. Aizenberg, A. J. Black, G. M. Whitesides, Nature 1999, 398, 495.
52. N. A. J. M. Sommerdijk, G. de With, Chem. Rev. 2008, 108, 4499.
53. D. Volkmer, M. Fricke, Z. Anorg. Allg. Chem. 2003, 629, 2381.
54. D. Volkmer, M. Fricke, C. Agena, J. Mattay, CrystEngComm 2002, 4, 288.
55. D. Volkmer, M. Fricke, M. Gleiche, L. F. Chi, Mater. Sci. Eng. C 2005, 25, 161.
56. D. Volkmer, M. Fricke, D. Vollhardt, S. Siegel, J. Chem. Soc. Dalton 2002, 4547.
57. D. C. Popescu, M. M. J. Smulders, B. P. Pichon, N. Chebotareva, S. Y. Kwak, O. L. J. van Asselen, R. P. Sijbesma, E. DiMasi, N. A. J. M. Sommerdijk, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14058.
58. S. Cavalli, D. C. Popescu, E. E. Tellers, M. R. J. Vos, B. P. Pichon, M. Overhand, H. Rapaport, N. A. J. M. Sommerdijk, A. Kros, Angew. Chem. 2006, 118, 753
59. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 739.
60. E. DiMasi, S. Y. Kwak, B. P. Pichon, N. A. J. M. Sommerdijk, CrystEngComm 2007, 9, 1192.
61. S. Albeck, J. Aizenberg, L. Addadi, S. Weiner, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 11691.
62. S. Albeck, S. Weiner, L. Addadi, Chem. Eur. J. 1996, 2, 278.
63. E. Beniash, L. Addadi, S. Weiner, J. Struct. Biol. 1999, 125, 50.
64. K. Wada, Bull. Natl. Pearl Res. Lab. (Jpn.) 1968, 13, 1561.
65. F. Nudelman, E. Shimoni, E. Klein, M. Rousseau, X. Bourrat, E. Lopez, L. Addadi, S. Weiner, J. Struct. Biol. 2008, 162, 290.
66. Y. Levi-Kalisman, G. Falini, L. Addadi, S. Weiner, J. Struct. Biol. 2001, 135, 8.
67. F. Marin, G. Luquet, Cr. Palevol. 2004, 3, 469.
68. M. Suzuki, K. Saruwatari, T. Kogure, Y. Yamamoto, T. Nishimura, T. Kato, H. Nagasawa, Science 2009, 325, 1388.
69. Q. Y. Sun, E. G. Vrieling, R. A. van Santen, N. A. J. M. Sommerdijk, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2004, 8, 111.
70. A. Arakaki, J. Webb, T. Matsunaga, J. Biol. Chem. 2003, 278, 8745.
71. T. Prozorov, S. K. Mallapragada, B. Narasimhan, L. J. Wang, P. Palo, M. Nilsen-Hamilton, T. J. Williams, D. A. Bazylinski, R. Prozorov, P. C. Canfield, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 951.
72. M. Tanaka, E. Mazuyama, A. Arakaki, T. Matsunaga, J. Biol. Chem. 2011, 286, 6386.
73. A. Arakaki, F. Masuda, Y. Amemiya, T. Tanaka, T. Matsunaga, J. Colloid Interface Sci. 2010, 343, 65.
74. L. B. Gower, Chem. Rev. 2008, 108, 4551.
75. F. C. Meldrum, H. Cölfen, Chem. Rev. 2008, 108, 4332.
76. C. A. Orme, A. Noy, A. Wierzbicki, M. T. McBride, M. Grantham, H. H. Teng, P. M. Dove, J. J. DeYoreo, Nature 2001, 411, 775.
77. S. F. Chen, S. H. Yu, T. X. Wang, J. Jiang, H. Cölfen, B. Hu, B. Yu, Adv. Mater. 2005, 17, 1461.
78. S. Babu Mukkamala, A. K. Powell, Chem. Commun. 2004, 918.
79. R. J. Park, F. C. Meldrum, Adv. Mater. 2002, 14, 1167.
80. Y. Y. Kim, N. B. J. Hetherington, E. H. Noel, R. Kröger, J. M. Charnock, H. K. Christenson, F. C. Meldrum, Angew. Chem. 2011, 123, 12780
81. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12572.
82. A. Sato, S. Nagasaka, K. Furihata, S. Nagata, I. Arai, K. Saruwatari, T. Kogure, S. Sakuda, H. Nagasawa, Nat. Chem. Biol. 2011, 7, 197.
83. T. Nishimura, T. Ito, Y. Yamamoto, M. Yoshio, T. Kato, Angew. Chem. 2008, 120, 2842
84. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2800.
85. B. Cantaert, Y. Y. Kim, H. Ludwig, F. Nudelman, N. A. J. M. Sommerdijk, F. C. Meldrum, Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 907.
86. C. J. Stephens, S. F. Ladden, F. C. Meldrum, H. K. Christenson, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2108.
87. F. Nudelman, E. Sonmezler, P. H. H. Bomans, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Nanoscale 2010, 2, 2436.
88. J. M. García-Ruiz, J. A. Gavira, F. Otálora, A. Guasch, M. Coll, Mater. Res. Bull. 1998, 33, 1593.
89. H. Y. Li, L. A. Estroff, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5480.
90. B. Pokroy, J. P. Quintana, E. N. Caspi, A. Berner, E. Zolotoyabko, Nat. Mater. 2004, 3, 900.
91. Y. Y. Kim, K. Ganesan, P. Yang, A. N. Kulak, S. Borukhin, S. Pechook, L. Ribeiro, R. Kröger, S. J. Eichorn, S. P. Armes, B. Pokroy, F. C. Meldrum, Nat. Mater. 2011, 10, 890.
92. S. Singh, K. Bozhilov, A. Mulchandani, N. Myung, W. Chen, Chem. Commun. 2010, 46, 1473.
93. R. R. Naik, P. W. Whitlock, F. Rodriguez, L. L. Brott, D. D. Glawe, S. J. Clarson, M. O. Stone, Chem. Commun. 2003, 238.
94. S. V. Patwardhan, N. Mukherjee, M. Steinitz-Kannan, S. J. Clarson, Chem. Commun. 2003, 1122.
95. N. C. Seeman, Nature 2003, 421, 427.
96. D. R. Han, S. Pal, Y. Liu, H. Yan, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 712.
97. P. W. K. Rothemund, Nature 2006, 440, 297.
98. E. Braun, Y. Eichen, U. Sivan, G. Ben-Yoseph, Nature 1998, 391, 775.
99. Z. X. Deng, C. D. Mao, Nano Lett. 2003, 3, 1545.
100. E. R. Zubarev, M. U. Pralle, E. D. Sone, S. I. Stupp, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 4105.
101. E. D. Sone, E. R. Zubarev, S. I. Stupp, Angew. Chem. 2002, 114, 1781
102. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1705.
103. L. J. Prins, D. N. Reinhoudt, P. Timmerman, Angew. Chem. 2001, 113, 2446
104. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2382.
105. J. H. van Esch, B. L. Feringa, Angew. Chem. 2000, 112, 2351
106. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2263.
107. K. Sugiyasu, S. Tamaru, M. Takeuchi, D. Berthier, I. Huc, R. Oda, S. Shinkai, Chem. Commun. 2002, 1212.
108. J. H. Jung, S. Shinkai, T. Shimizu, Nano Lett. 2002, 2, 17.
109. J. H. Jung, S. Shinkai, T. Shimizu, Chem. Mater. 2003, 15, 2141.
110. Q. Y. Sun, P. J. Kooyman, J. G. Grossmann, P. H. H. Bomans, P. M. Frederik, P. C. M. M. Magusin, T. P. M. Beelen, R. A. van Santen, N. A. J. M. Sommerdijk, Adv. Mater. 2003, 15, 1097.
111. N. E. Botterhuis, Q. Y. Sun, P. C. M. M. Magusin, R. A. van Santen, N. A. J. M. Sommerdijk, Chem. Eur. J. 2006, 12, 1448.
112. M. S. Wong, J. N. Cha, K. S. Choi, T. J. Deming, G. D. Stucky, Nano Lett. 2002, 2, 583.
113. M. Reches, E. Gazit, Science 2003, 300, 625.
114. J. J. J. M. Donners, R. Hoogenboom, A. P. H. J. Schenning, P. A. van Hal, R. J. M. Nolte, E. W. Meijer, N. A. J. M. Sommerdijk, Langmuir 2002, 18, 2571.
115. N. Herron, J. C. Calabrese, W. E. Farneth, Y. Wang, Science 1993, 259, 1426.
116. C. B. Murray, C. R. Kagan, M. G. Bawendi, Science 1995, 270, 1335.
117. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706.
118. X. G. Peng, T. E. Wilson, A. P. Alivisatos, P. G. Schultz, Angew. Chem. 1997, 109, 113-115
119. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 145.
120. S. I. Stupp, P. V. Braun, Science 1997, 277, 1242.
121. T. Vossmeyer, G. Reck, L. Katsikas, E. T. K. Haupt, B. Schulz, H. Weller, Science 1995, 267, 1476.
122. J. Yang, J. H. Fendler, T. C. Jao, T. Laurion, Microsc. Res. Tech. 1994, 27, 402.
123. J. P. Yang, J. H. Fendler, J. Phys. Chem. (Moscow, Russ. Fed.) 1995, 99, 5505.
124. X. K. Zhao, J. Yang, L. D. Mccormick, J. H. Fendler, J. Phys. Chem. (Moscow, Russ. Fed.) 1992, 96, 9933.
125. P. V. Braun, P. Osenar, S. I. Stupp, Nature 1996, 380, 325.
126. V. Tohver, P. V. Braun, M. U. Pralle, S. I. Stupp, Chem. Mater. 1997, 9, 1495.
127. R. Fleischmann, T. Geisel, R. Ketzmerick, Phys. Rev. Lett. 1992, 68, 1367.
128. W. Kang, H. L. Stormer, L. N. Pfeiffer, K. W. Baldwin, K. W. West, Phys. Rev. Lett. 1993, 71, 3850.
129. D. Weiss, M. L. Roukes, A. Menschig, P. Grambow, K. Vonklitzing, G. Weimann, Phys. Rev. Lett. 1991, 66, 2790.
130. T. Sakamoto, Y. Nishimura, T. Nishimura, T. Kato, Angew. Chem. 2011, 123, 5978
131. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5856.
132. A. Sugawara, T. Kato, Chem. Commun. 2000, 487.
133. A. Sugawara, T. Ishii, T. Kato, Angew. Chem. 2003, 115, 5457
134. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 5299.
135. T. Sakamoto, A. Oichi, Y. Oaki, T. Nishimura, A. Sugawara, T. Kato, Cryst. Growth Des. 2009, 9, 622.
136. S. R. Whaley, D. S. English, E. L. Hu, P. F. Barbara, A. M. Belcher, Nature 2000, 405, 665.
137. C. B. Mao, D. J. Solis, B. D. Reiss, S. T. Kottmann, R. Y. Sweeney, A. Hayhurst, G. Georgiou, B. Iverson, A. M. Belcher, Science 2004, 303, 213.
138. D. Green, D. Walsh, S. Mann, R. O. C. Oreffo, Bone 2002, 30, 810.
139. D. C. Popescu, E. N. M. van Leeuwen, N. A. A. Rossi, S. J. Holder, J. A. Jansen, N. A. J. M. Sommerdijk, Angew. Chem. 2006, 118, 1794
140. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1762.
141. N. A. J. M. Sommerdijk, E. N. M. van Leeuwen, M. R. J. Vos, J. A. Jansen, CrystEngComm 2007, 9, 1209.
142. M. J. Olszta, X. G. Cheng, S. S. Jee, R. Kumar, Y. Y. Kim, M. J. Kaufman, E. P. Douglas, L. B. Gower, Mater. Sci. Eng. R 2007, 58, 77.
143. F. Nudelman, K. Pieterse, A. George, P. H. H. Bomans, H. Friedrich, L. J. Brylka, P. A. J. Hilbers, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Nat. Mater. 2010, 9, 1004.
144. A. Tampieri, S. Sprio, A. Ruffini, G. Celotti, I. G. Lesci, N. Roveri, J. Mater. Chem. 2009, 19, 4973.
145. R. Z. LeGeros, Chem. Rev. 2008, 108, 4742.
146. L. C. Palmer, C. J. Newcomb, S. R. Kaltz, E. D. Spoerke, S. I. Stupp, Chem. Rev. 2008, 108, 4754.
147. A. Dey, N. A. J. M. Sommerdijk, G. de With, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 397.
148. K. Huber, J. N. Liu, J. Rieger, Langmuir 2008, 24, 8262.
149. X. Y. Liu, S. W. Lim, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 888.
150. S. Joiret, M. M. Tlili, M. Ben Amor, C. Gabrielli, G. Maurin, P. Rousseau, J. Raman Spectrosc. 2002, 33, 10.
151. J. Aizenberg, D. A. Muller, J. L. Grazul, D. R. Hamann, Science 2003, 299, 1205.
152. K. Oaki, H. Imai, Angew. Chem. 2005, 117, 6729
153. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6571.
154. Y. Oaki, A. Kotachi, T. Miura, H. Imai, Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1633.
155. P. M. Frederik, N. A. J. M. Sommerdijk, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2005, 10, 245.
156. B. P. Pichon, P. H. H. Bomans, P. M. Frederik, N. A. J. M. Sommerdijk, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4034.
157. F. Nudelman, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Soft Matter 2011, 7, 17.
158. A. Dey, P. H. H. Bomans, F. A. Muller, J. Will, P. M. Frederik, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Nat. Mater. 2010, 9, 1010.
159. B. X. Leng, Z. Z. Shao, P. H. H. Bomans, L. J. Brylka, N. A. J. M. Sommerdijk, G. de With, W. H. Ming, Chem. Commun. 2010, 46, 1703.
160. E. M. Pouget, P. H. H. Bomans, J. A. C. M. Goos, P. M. Frederik, G. de With, N. A. J. M. Sommerdijk, Science 2009, 323, 1455.
161. D. Gebauer, A. Völkel, H. Cölfen, Science 2008, 322, 1819.
162. G. Gopalakrishnan, C. Danelon, P. Izewska, M. Prummer, P. Y. Bolinger, I. Geissbuhler, D. Demurtas, J. Dubochet, H. Vogel, Angew. Chem. 2006, 118, 5604
163. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 5478.
164. H. T. Jung, B. Coldren, J. A. Zasadzinski, D. J. Iampietro, E. W. Kaler, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 1353.
165. M. T. Kennedy, B. A. Korgel, H. G. Monbouquette, J. A. Zasadzinski, Chem. Mater. 1998, 10, 2116.
166. M. Krack, H. Hohenberg, A. Kornowski, P. Lindner, H. Weller, S. Förster, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7315.
167. M. R. Rasch, E. Rossinyol, J. L. Hueso, B. W. Goodfellow, J. Arbiol, B. A. Korgel, Nano Lett. 2010, 10, 3733.
168. K. Saxena, G. G. Shipley, Biochemistry 1997, 36, 15940.