Crustacean-derived biomimetic components and nanostructured composites

Small

Volumn 10, Issue 16, 2014, Pages 3207-3232

  Grunenfelder, Lessa Kay ^a   Herrera, Steven ^a   Kisailus, David ^a  

^a University of California Riverside   (United States)

Author keywords

biomimetic; composites; crustacean

Indexed keywords

BIOMIMETICS; COMPOSITE MATERIALS; NANOTECHNOLOGY; SCAFFOLDS;

BIOLOGICAL COMPOSITES; CRUSTACEAN; CRYSTAL NUCLEATION AND GROWTHS; INORGANIC COMPOSITES; NANOSTRUCTURED COMPOSITES; STRUCTURAL COMPOSITES; STRUCTURAL ORGANIZATION; STRUCTURAL SUPPORT;

SHELLFISH;

CALCIUM PHOSPHATE; COMPOSITES; ECOLOGY; SCAFFOLDS;

CANCER PAGURUS; CRUSTACEA; DECAPODA (CRUSTACEA); HOMARUS AMERICANUS; HOPLOCARIDA; MANTIS; ODONTODACTYLUS SCYLLARUS;

NANOMATERIAL;

ANIMAL; BIOMIMETICS; CHEMISTRY; CLASSIFICATION; CRUSTACEA; MATERIALS TESTING; SPECIES DIFFERENCE;

ANIMALS; BIOMIMETICS; CRUSTACEA; MATERIALS TESTING; NANOSTRUCTURES; SPECIES SPECIFICITY;

EID: 84906784344     PISSN: 16136810     EISSN: 16136829     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/smll.201400559     Document Type: Review

References (180)

1. M. A. Meyers, A. Y. M. Lin, Y. Seki, P.-Y. Chen, B. K. Kad, S. Bodde, JOM 2006, 36.
2. J. Curry, Science 2005, 309, 253.
3. H. Jiang, X. Liu, C. Lim, C. Hsu, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 163901.
4. U. G. K. Wegst, M. F. Ashby, Philos. Mag. 2004, 84, 2167.
5. J. Weaver, Q. Wang, A. Miserez, A. Tantuccio, R. Stromberg, K. Bozhilov, P. Maxwell, R. Nay, S. Heier, E. DiMasi, D. Kisailus, Mater. Today 2012, 13, 42.
6. J. C. Dunlop, P. Fratzl, Annu. Rev. Mater. Res. 2010, 40, 1.
7. H. A. Lowenstam, S. Weiner, On biomineralization, Oxford University Press, New York 1989.
8. H. Fabritius, C. Sachs, D. Raabe, S. Nikolov, M. Friak, J. Neugebauer, Chitin in the exoskeletons of arthropoda: From ancient design to novel materials science, (Eds:, N. S. Gupta,), Springer, Dordrecht 2011.
9. G. Luquet, ZooKeys 2012, 176, 103.
10. S. T. Brennan, T. K. Lowenstein, J. Horita, Geology 2004, 32, 473.
11. H.-O. Fabritius, C. Sachs, P. Romano Triguero, D. Raabe, Adv. Mater. 2009, 21, 391.
12. J. G. Kunkel, W. Nagel, M. J. Jercinovic, J. Shellfish Res. 2012, 31, 515.
13. D. Raabe, P. Romano, C. Sachs, H. Fabritius, A. Al-Swalmih, S.-B. Yi, G. Servos, H. G. Hartwig, Mater. Sci. Eng., A 2006, 421, 143.
14. G. Panganiban, A. Sebring, L. Nagy, S. Carroll, Science 1995, 270, 1363.
15. M. K. Schulz, C. G. Alexander, Mar. Freshwater Behav. Physiol. 2001, 34, 181.
16. H.-O. Fabritius, E. S. Karsten, K. Balasundaram, S. Hild, K. Huemer, D. Raabe, Z. Kristallogr.-Cryst. Mater. 2012, 227, 766.
17. F. Bobelmann, P. Romano, H. Fabritius, D. Raabe, M. Epple, Thermochim. Acta 2007, 463, 65.
18. C. Sachs, H. Fabritius, D. Raabe, J. Mater. Res. 2006, 21, 1987.
19. J. C. Weaver, G. W. Milliron, A. Miserez, K. Evans-Lutterodt, S. Herrera, I. Gallana, W. J. Mershon, B. Swanson, P. Zavattieri, E. DiMasi, D. Kisailus, Science 2012, 336, 1275.
20. M. S. deVries, E. A. K. Murphy, S. N. Patek, J. Exp. Biol. 2012, 215, 4374.
21. M. S. Rosenberg, Biol. J. Linn. Soc. 2002, 75, 147.
22. G. Mayer, M. Sarikaya, Exp. Mech. 2002, 42, 395.
23. C. Sanchez, H. Arribart, M. Madeleine, G. Guille, Nat. Mater. 2005, 4, 277.
24. M.-M. Giraud-Guille, E. Belamie, G. Mosser, Comptes rendus Palevol 2004, 3, 503.
25. A. G. Richards, The integument of arthropods, University of Minnesota Press, Minneapolis 1951
26. M. N. Horst, J. A. Freeman, The crustacean integument: Morphology and biochemistry, CRC Press, 1993
27. M.-M. Giraud-Guille, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 1998, 3, 221.
28. Y. Bouligand, Tissue Cell 1972, 4, 189.
29. D. Raabe, A. Al-Sawalmih, S. B. Yi, H. Fabritius, Acta Biomater. 2007, 3, 882.
30. P. Romano, H. Fabritius, D. Raabe, Acta Biomater. 2007, 3, 301.
31. A. Becker, A. Ziegler, M. Epple, Dalton Trans. 2005, 1814.
32. J. L. Arias, M. S. Fernandez, Mater. Charact. 2003, 50, 189.
33. H. Nagasawa, Prog. Mol. Subcell. Biol. 2011, 52, 315.
34. J. R. A. Taylor, J. Hebrank, W. M. Kier, J. Exp. Biol. 2007, 210, 4272.
35. C. Sachs, H. Fabritius, D. Raabe, J. Struct. Biol 2006, 155, 409.
36. Biology of the lobster homarus amaericanus, (Eds:, J. R. Factor,), Academic Press, San Diego 1995.
37. C. Sachs, H. Fabritius, D. Raabe, J. Struct. Biol 2008, 161, 120.
38. A. Al-Sawalmih, C. Li, S. Siegel, H. Fabritius, S. Yi, D. Raabe, P. Fratzl, O. Paris, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3307.
39. D. Raabe, P. Romano, C. Sachs, A. Al-Sawalmih, H.-G. Brokmeier, S.-B. Yi, G. Servos, H. G. Hartwig, J. Cryst. Growth 2005, 283, 1.
40. S. Nikolov, H. Fabritius, M. Petrov, M. Friak, L. Lymperakis, C. Sachs, D. Raabe, J. Neugebauer, J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2011, 4, 129.
41. D. Raabe, C. Sachs, P. Romano, ActaMater. 2005, 53, 4281.
42. L. Cheng, L. Wang, A. M. Karlsson, J. Mater. Res. 2008, 23, 2854.
43. A. Al-Sawalmih, C. Li, S. Siegel, P. Fratzl, O. Paris, Adv. Mater. 2009, 21, 4011.
44. J. G. Kunkel, M. J. Jercinovic, Mar. Biol. Res. 2013, 9, 27.
45. Biomineralization. From nature to application., (Eds:, A. Sigel, H. Sigel, R. Sigel,), John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex 2004.
46. S. Nikolov, M. Petrov, L. Lymperakis, M. Friak, C. Sachs, H.-O. Fabritius, D. Raabe, J. Neugebauer, Adv. Mater. 2012, 22, 519.
47. C. Linnaeus, Systema naturae per regna tria naturae, secundum classes, ordines, genera, species, cum characteribus, differentiis, synonymis, locis., (Eds: Holmiae: Impensis Direct, Laurentii Salvii), 1758.
48. P. Drach, Annales de l'Institut Océanographique 1939, 19, 382.
49. T. Hegdahl, J. Silness, F. Gustavsen, Zool. Scr. 1977, 6, 89.
50. T. Hegdahl, F. Gustavsen, J. Silness, Zool. Scr. 1977, 6, 101.
51. T. Hegdahl, F. Gustavsen, J. Silness, Zool. Scr. 1977, 6, 215.
52. B. S. Welinder, Comp. Biochem. Physiol. 1974, 779.
53. B. S. Welinder, Comp. Biochem. Physiol. 1975, 52A, 659.
54. B. S. Welinder, P. Roepstorff, S. O. Andersen, Comp. Biochem. Physiol. 1976, 53B, 529.
55. S. Patek, R. Caldwell, J. Exp. Biol. 2005, 208, 3655.
56. S. Patek, W. Korff, R. Caldwell, Nature 2004, 428, 819.
57. M. Burrows, Z. vergl. Physiol. 1969, 62, 361.
58. J. Currey, A. Nash, W. Bonfield, J. Mater. Sci. 1982, 17, 1939.
59. R. L. Caldwell, H. Dingle, Naturwissenschaften 1975, 62, 214.
60. T. Zack, T. Claverie, S. Patek, J. Exp. Biol. 2009, 212, 4002.
61. S. Patek, B. Nowroozi, J. Baio, R. Caldwell, A. Summers, J. Exp. Biol. 2007, 210, 3677.
62. G. M. Bond, R. H. Richman, W. P. McNaughton, J. Mater. Eng. Perform. 1995, 4, 334.
63. P. Calvert, J. Mater. Sci. Eng. C 1994, 12, 69.
64. A. Oliveira, J. Mano, R. Reis, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2003, 7, 309.
65. L. Addadi, S. Weiner, Angew. Chem., Int. Ed. 1992, 31, 153.
66. J. Aizenberg, G. Lambert, L. Addadi, S. Weiner, Adv. Mater. 1996, 8, 222.
67. L. B. Gower, D. J. Odom, J. Cryst. Growth 2000, 210, 719.
68. S. Weiner, L. Addadi, J. Mater. Chem. 1997, 7, 689.
69. F. E. Coblentz, T. H. Shafer, R. D. Roer, Comp. Biochem. Physiol., Part B: Biochem. Mol. Biol. 1998, 121, 349.
70. N. Tsutsui, K. Ishii, Y. Takagi, T. Wantanabe, H. Nagasawa, Zool. Sci. 1999, 16, 619.
71. L. Addadi, S. Raz, S. Weiner, Adv. Mater. 2003, 15, 959.
72. S. Weiner, Y. Levi-Kalisman, S. Raz, L. Addadi, Connect. Tissue Res. 2003, 44, 214.
73. S. Raz, O. Testeniere, A. Hecker, S. Weiner, G. Luquet, Biol. Bull. 2002, 203, 269.
74. T. Y.-J. Han, J. Aizenberg, Chem. Mater. 2008, 20, 1064.
75. A. L. Goodwin, M. Michel, B. L. Phillips, D. A. Keen, M. T. Dove, R. J. Reeder, Chem. Mater. 2010, 22, 3197.
76. L. B. Gower, Chem. Rev. 2008, 108, 4551.
77. R. S. K. Lam, J. M. Charnock, A. Lennie, F. C. Meldrum, CrystEngComm 2007, 9, 1226.
78. E. Belamie, G. Mosser, F. Gobeaux, M. Giraud-Guille, J. Phys.: Condens. Matter 2006, 18, S115.
79. R. Marchessault, F. Morehead, N. Walter, Nature 1959, 184, 632.
80. L. Onsager, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1949, 51, 627.
81. J. Li, J.-F. Revol, E. Naranjo, R. Marchessault, Int. J. Biol. Macromol. 1996, 18, 177.
82. J. Li, J.-F. Revol, R. Marchessault, J. Colloid Interface Sci. 1997, 192, 447.
83. J. Revol, R. Marchessault, Int. J. Biol. Macromol. 1993, 15, 329.
84. J. Li, J.-F. Revol, R. Marchessault, J. Appl. Polym. Sci. 1997, 65, 373.
85. J. Li, J.-F. Revol, R. Marchessault, J. Colloid Interface Sci. 1996, 183, 365.
86. E. Belamie, P. Davidson, M. Giraud-Guille, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 14991.
87. D. Gray, Carbohydr. Polym. 1994, 25, 277.
88. X. M. Dong, D. G. Gray, Langmuir 1997, 13, 3029.
89. L. Besseau, M.-M. Giraud-Guille, J. Mol. Biol. 1995, 251, 197.
90. P. Calvert, P. Rieke, Chem. Mater. 1996, 8, 1715.
91. A.-W. Xu, Y. Ma, H. Colfen, J. Mater. Chem. 2006, 17, 415.
92. J. J. D. Yoreo, A. Wierzbicki, P. M. Dove, CrystEngComm 2007, 9, 1144.
93. Y. Bouligand, Comptes rendus Palevol 2004, 3, 617.
94. J. G. Fernandez, D. E. Ingber, Adv. Mater. 2012, 24, 480.
95. K. S. Chow, E. Khor, Biomacromolecules 2000, 1, 61.
96. G. Cardenas, P. Anaya, C. v. Plessing, C. Rojas, J. Sepulveda, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2008, 19, 2397.
97. P. Morganti, G. Morganti, A. Morganti, Nanotechnol., Sci. Appl. 2011, 4, 123.
98. E. Khor, L. Y. Lim, Biomaterials 2003, 24, 2339.
99. M. Miessner, M. G. Peter, J. F. V. Vincent, Biomacromolecules 2001, 2, 369.
100. S. Hirano, Agric. Biol. Chem. 1978, 42, 1939.
101. K. S. Chow, E. Khor, A. C. A. Wan, J. Polym. Res. 2001, 8, 27.
102. A. C. Wan, E. Khor, G. W. Hastings, J. Biomed. Mater. Res. 1998, 41, 541.
103. G. Falini, S. Fermani, Tissue Eng. 2004, 10, 1.
104. C. Muzzarelli, R. A. Muzzarelli, J. Inorg. Biochem. 2002, 92, 89.
105. T. Kato, T. Amamiya, Chem. Lett. 1998, 3, 199.
106. S. Zhang, K. Gonsalves, J. Appl. Polym. Sci. 1995, 56, 687.
107. S. Zhang, K. E. Gonsalves, Mater. Sci. Eng., C 1995, 3, 117.
108. A. Sugawara, T. Kato, Chem. Commun. 2000, 487.
109. L. Addadi, S. Weiner, Proc. Natl. Acad. Sci. 1985, 82, 4110.
110. M. Gunthorpe, C. Sikes, A. Wheeler, Biol. Bull. 1990, 179, 191.
111. W. Li, L. Liu, W. Chen, L. Yu, W. Li, H. Yu, Process Biochem. 2010, 45, 1017.
112. L. Gower, D. Tirrell, J. Cryst. Growth 1998, 191, 153.
113. X. Cheng, P. L. Varona, M. J. Olszta, L. B. Gower, J. Cryst. Growth 2007, 307, 395.
114. S. D. Sims, J. M. Didymus, S. Mann, Chem. Commun. 1995, 1031.
115. J. Aizenberg, D. A. Muller, J. L. Grazul, D. R. Hamann, Science 2003, 299, 1205.
116. J. M. Didymus, P. Oliver, S. Mann, A. L. DeVries, P. V. Hauschka, P. Westbroek, J. Chem. Soc., Faraday 1993, 89, 2891.
117. J. R. Clarkson, T. J. Price, C. J. Adams, J. Chem. Soc., Faraday 1992, 88, 243.
118. Y. Politi, D. R. Batchelor, P. Zaslansky, B. F. Chmelka, J. C. Weaver, I. Sagi, S. Weiner, L. Addadi, Chem. Mater. 2010, 22, 161.
119. S. O. Anderson, Comp. Biochem. Physiol., Part A: Mol. Integr. Physiol. 1999, 123, 203.
120. M. Nousiainen, K. Rafn, L. Skou, P. Roepstorff, S. O. Anderson, Comp. Biochem. Physiol. 1998, 199, 189.
121. M. Kragh, L. Molbak, S. O. Anderson, Comp. Biochem. Physiol., Part B: Biochem. Mol. Biol. 1997, 118, 147.
122. E. Loste, F. C. Meldrum, Chem. Commun. 2001, 901.
123. S. Raz, S. Weiner, L. Addadi, Adv. Mater. 2000, 12, 38.
124. E. Loste, R. M. Wilson, R. Seshadri, F. C. Meldrum, J. Cryst. Growth 2003, 254, 206.
125. D. Wang, A. F. Walalce, J. J. D. Yoreo, P. M. Dove, Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 21511.
126. C. S. Martens, R. C. Harriss, Geochim. Cosmochim. Acta 1969, 34, 621.
127. A. Boskey, A. Posner, Mater. Res. Bull. 1974, 9, 907.
128. J. Tao, D. Zhou, Z. Zhang, X. Xu, R. Tang, Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 22096.
129. S. Raz, P. C. Hamilton, F. H. Wilt, S. Weiner, L. Addadi, Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 480.
130. Y. Levi-Kalisman, S. Raz, S. Weiner, L. Addadi, I. Sagi, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2000, 3977.
131. C. Gunther, A. Becker, G. Wolf, M. Epple, Z. Anorg. Allg. Chem. 2005, 631, 2830.
132. G. Wolf, C. Gunther, J. Therm. Anal. Calorim. 2001, 65, 687.
133. M. Faatz, F. Grohn, G. Wegner, Adv. Mater. 2004, 16, 996.
134. F. M. Michel, J. MacDonald, J. Feng, B. L. Phillips, L. Ehm, C. Tarabrella, J. B. Parise, R. J. Reeder, Chem. Mater. 2008, 20, 4720.
135. A. Becker, U. Bismayer, M. Epple, H. Fabritius, B. Hasse, J. Shi, A. Ziegler, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2003, 551.
136. L. Brecevic, A. E. Nielsen, J. Cryst. Growth 1989, 98, 504.
137. A. Radha, T. Z. Forbes, C. E. Killian, P. Gilbert, A. Navrotsky, Proc. Natl. Acad. Sci. 2010, 107, 16438.
138. E. E. Wilson, A. Awonusi, M. D. Morris, D. H. Kohn, M. M. Tecklenburg, L. W. Beck, Biophys. J. 2006, 90, 3722.
139. P. Raiteri, J. D. Gale, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 17623.
140. J. W. Singer, A. O. Yazaydin, R. J. Kirkpatrick, G. M. Bowers, Chem. Mater. 2012, 24, 1828.
141. K. Naka, Y. Chujo, Chem. Mater. 2001, 13, 3245.
142. C. Li, D. L. Kaplan, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2003, 7, 265.
143. B. R. Heywood, S. Mann, Chem. Mater. 1994, 6, 311.
144. S. Mann, B. R. Heywood, S. Rajam, D. Birchall, Nature 1988, 334, 692.
145. E. DiMasi, V. M. Patel, M. Sivakumar, M. J. Olszta, Y. P. Yang, L. B. Gower, Langmuir 2002, 18, 8902.
146. J. Aizenberg, A. J. Black, G. M. Whitsides, Nature 1999, 398, 495.
147. J. Aizenberg, A. J. Black, G. M. Whitesides, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4500.
148. A.-W. Xu, W.-F. Dong, M. Antonietti, H. Colfen, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 1307.
149. H. Colfen, M. Antonietti, Langmuir 1998, 14, 582.
150. M. Antonietti, M. Breulmann, C. G. Goltner, H. Colfen, K. K. W. Wong, D. Walsh, S. Mann, Chem. Eur. 1998, 4, 2493.
151. H. Endo, D. Schwahn, H. Colfen, J. Chem. Phys. 2004, 120, 9410.
152. H. Colfen, Macromol. Rapid Commun. 2001, 22, 219.
153. M. Sedlak, M. Antonietti, H. Colfen, Macromol. Chem. Phys. 1998, 199, 247.
154. B. Guillemet, M. Faatz, F. Grohn, G. Wegner, Y. Gnanou, Langmuir 2006, 22, 1875.
155. M. Basko, P. Kubisa, J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2003, 42, 1189.
156. H. D. Espinosa, J. R. Rim, F. Barthelat, M. J. Buehler, Prog. Mater. Sci. 2009, 54, 1059.
157. G. M. Luz, J. F. Mano, Trans. R. Soc., A 2009, 367, 1587.
158. L. C. Palmer, C. J. Newcomb, S. R. Kaltz, E. D. Spoerke, S. I. Stupp, Chem. Rev. 2008, 108, 4754.
159. M. Paillet, A. Dufresne, Macromolecules 2001, 34, 6527.
160. Y. Lu, L. Weng, L. Zhang, Biomacromolecules 2004, 5, 1046.
161. K. G. Nair, A. Dufresne, Biomacromolecules 2003, 4, 657.
162. K. G. Nair, A. Dufresne, Biomacromolecules 2003, 4, 666.
163. K. G. Nair, A. Dufresne, Biomacromolecules 2003, 4, 1835.
164. B. Chen, X. Peng, W. Wang, J. Zhang, R. Zhang, Micron 2002, 571.
165. S. L. Gunderson, J. A. Lute, J. Reinf. Plast. Compos. 1993, 12, 559.
166. B. Chen, X. Peng, C. Cai, H. Niu, X. Wu, Mater. Sci. Eng., A 2006, 423, 237.
167. T. Apichattrabrut, K. Ravi-Chandar, Mech. Adv. Mater. Struct. 2006, 13, 61.
168. L. Cheng, A. Thomas, J. L. Glancey, A. M. Karlsson, Composites: Part A 2011, 42, 211.
169. K. Ravi-Chandar, Army Research Report W911NF-05-1-0065 2011, 1-46.
170. L. K. Grunenfelder, N. Suksangpanya, C. Salinas, G. Milliron, N. Yaraghi, S. Herrera, K. Evans-Lutterodt, S. R. Nutt, P. Zavattieri, D. Kisailus, Acta Biomater. 2014, DOI: 10.1016/j.actbio.2014.03.022.
171. P. Fratzl, H. S. Gupta, F. D. Fisher, O. Kolednik, Adv. Mater. 2007, 19, 2657.
172. K. E. Tanner, Science 2012, 336, 1237.
173. Z. Burghard, L. Zini, V. Srot, P. Bellina, P. A. v. Aken, J. Bill, NanoLett. 2009, 9, 4103.
174. P. Murali, T. K. Bhandakkar, W. L. Cheah, M. H. Jhon, H. Gao, R. Ahluwalia, Phys. Rev. E: Stat., Nonlinear, Soft Matter Phys. 2011, 84, 015102.
175. I. Zlotnikov, I. Gotman, Z. Burghard, J. Bill, E. Gutmanas, Colloids Surf., A 2010, 361, 138.
176. A. Tasdemirci, G. Tunusoglu, M. Guden, Int. J. Impact Eng. 2012, 44, 1.
177. A. Bose, Adv. Powder Metall. Part. Mater. 1992, 9, 57.
178. Cutting Tool Engineering 1992, 44, 10.
179. University of Stuttgart, Institute for computational design faculty of architecture and urban planning, http://icd.uni-stuttgart.de/?tag= researchpavilion2012 (accessed November, 2013).
180. C. Sanchez, B. Lebeau, J. Patarin, Chem. Rev. 2002, 102, 4093.